Utilisation de la corrélation diachronique d'images pour la métrologie de ponts Michel Kasser, Stéphane Cretegny Institut Insit, Heig-Vd, Yverdon
La corrélation : un outil employé dans des multitudes de domaines, en particulier en topométrie. Et bien entendu, en photogrammétrie. Rappel : le coefficient de corrélation entre deux variables X et Y Illustrations classiques de la corrélation en topométrie : en nivellement (codes-barres), et pour les GNSS. Dans les deux cas on corrèle un signal connu, mais bruité et décalé de manière inconnue, avec le signal théorique.
Emploi de la corrélation en imagerie En photogrammétrie, traditionnellement la corrélation était effectuée par l œil humain. Elle a été relayée par une corrélation numérique, entre des imagettes de taille variable, p. ex. en corrélation 2D : Imagette petite (p. ex. 3 x 3) : bonne détection des petits détails, calcul rapide, mais beaucoup de fautes Imagette grande (p. ex. 25 x 25) : très précis, peu de fautes, calcul très long, mais filtre les hautes fréquences spatiales. La corrélation est aussi employée en mode diachronique, 2 images de la même zone à des moments différents, permettant de mesurer les déformations. Importance du bruit dans l image! 3
Corrélation diachronique d ortho-images Première publication, en géophysique (2000) : mesure de déplacements cosismiques à 10 cm près sur une image Spot à pixel de 10 m. 4
Corrélation d'images SPOT5 sur le glissement de La Valette (près de Barcelonnette). Images : Août 2003, Septembre 2004. C. Delacourt 5
6
7
3m 2m 1m 0 8
9
La corrélation sur des ortho-images diachroniques : un usage inattendu en détection de défauts géométriques des images 10
11
12
Premiers essais sur une culée de pont. Travail de Master MIT effectué en 2012 (Maxime PROT). 13
Mouvements sous MatchID +3 +15 +30 +1h00 +1h14 +1h41 +1h57 +2h09 14
15
Dilatation du tablier 16
Passerelle sur la Thielle à Suscévaz map.geo.admin.ch 17
Exemple de prise de vue 18
Analyse au passage de véhicules 19
20
21
Applications de la corrélation diachronique aux ponts Master J. Comte 2013 : Pont autoroutier et les déplacements verticaux observés à l occasion du passage d un véhicule, les couleurs sont exprimées en pixels (1 pixel = 3 cm). 22
Essais sur un pont autoroutier à Grandson (VD) Distance : 60 m. Pixel = 1 cm sur l objet. Comparaison entre le pont à vide et lors du passage d un bus de 10 t. Canon EOS5D, f = 50 mm 23
Analyse des limitations du processus de corrélation diachronique 24
Tests exploratoires sur les effets de la réfraction Pont à 650 m de distance, Le 20.07.2015. Canon EOS5D, objectif 600 mm, Lissage sur 100 pixels ( 1 m) Charge nulle sur le pont Temps chaud mais couvert 25
dv [pxl] Pont Grandson, distance 650 m, lissage 100 px 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0-0,1-0,2 2485_2486 2487_2488 2488_2489 2489_2490 2490_2491 2496_2497 2500_2501-0,3-0,4-0,5 26
Instabilité interne de la camera Corrélation entre images successives (1 px = 0.2 mm) dh dv 27
Effets de la distorsion Julien Comte, MIT, 2014 28
Effets de l orientation Avant correction de rotation Après correction de rotation 29
Rotation de la camera autour de son axe optique 30
Problème de la répétabilité de la mise en station Petite rotation de l appareil photo autour de l axe optique Par exemple : Rotation = 0.2 gons, dist = 130 m Disparité 5 px Avec une embase de type topographique : Rotation < 0.005 gons Disparité 0.1 px 31
Rotation Conséquences Perte de précision Baisse du coefficient de corrélation Recommandations Centrages forcés Mesure et correction de la rotation avant la corrélation finale 32
Sommation d images Améliore la dynamique et le rapport signal/bruit Image brute Dyn. [0.. 4095] 16 images Dyn. [0.. 65535] 33
Sommation d images Valeurs du coefficient de corrélation 34
Sommation d images BUT : améliorer le rapport signal/bruit. CONTRAINTE : Pas de deformations de l objet pendant l acquisition de la suite d images. THEORIE: Le bruit est gaussien, aléatoire dans l image. Il croît en N alors que le signal croît en N, nombre des images additionnées. 35
Sommation d images Exemple Images brutes IMG 1 IMG 2 IMG 16 Signal X 16 = Images "propres" [0.. 4095] [0.. 4095] [0.. 4095] + + + 12bits 12bits 12bits [0.. 65535] 16bits + Bruit bruit 1 + bruit 2 + + bruit 16 Bruit X 4 36
Temps d exposition 37
Corrélation diachronique d images utilisée en mesure de déformations d ouvrage d art. Intérêts : limitations pratiques Précision 1/100 e de pixel accessible (soit 0.1 mm sur un ouvrage de 50 m de long), Effets limités de la réfraction atmosphérique, selon les conditions et la distance. Acquisition et traitement très peu coûteux. Mesure instantanée (très intéressante sur un ouvrage qui se déforme vite) et globale sur toute la surface. Inconvénients : Mesures uniquement dans le plan perpendiculaire à la visée. Impossibilité de mesurer une déformation isotrope. Grande dynamique requise pour les images Les surfaces utiles ne doivent pas être trop uniformes, et ne doivent pas être modifiées (peinture p. ex.)
Étude comparative Mesures sur un pont autoroutier à Grandson, test en charge (camion de 40 t) sur 9 emplacements différents. Mesures simultanées avec deux tachéomètres MS50 sur 9 points en pointé automatique, et avec deux niveaux de haute précision DNA03 sur mires invar, sur des points très proches des parements. 39
DNA03 40
41
42
43
44
Côté Neuchâtel États Point 1 Point 2 Point 3 M1 0 0.04-0.63 0.33-0.53 1-0.31-0.07 0.03-0.34 2 0.60-0.70-0.07-0.60 3-0.85-0.98-0.10-0.72 4 0.03-0.92-0.11-0.78 5 0.17-0.47 0.22-0.48 6 0.38 0.40 0.21 0.36 7 0.21 0.13-0.10 - Écarts en mm entre la détermination topométrique et la détermination par corrélation d image 8-0.67 0.40 0.05 0.49 Correspondance < 0.05 pixel Correspondance < 0.1 pixel Correspondance > 0.1 pixel Côté Grandson États Point 4 Point 5 Point 6 M2 0-0.17 0.89 0.16 0.96 1 0.04 0.03 0.00 0.07 2-0.58 0.23 0.45 0.32 3 0.06 0.30-0.34 0.26 4 0.72-0.69 0.28-0.66 5-0.58 0.12 0.47-0.13 6 0.08 0.32-0.30 7 0.07 0.02 0.12-0.07 8 0.13-0.08 0.43-0.07 45
Conclusions Mesures par corrélation d image au moins aussi précises que les mesures topométriques Problème avec les mesures topométriques, lié à l évolution thermique et donc géométrique du pont pendant les essais. Difficulté à garantir d avance la qualité radiométrique des images, qui est essentielle dans ce processus. 46
Questions? 47