Construction d’un Modèle Numérique de Terrain par ...€¦ · Pour clichés aériens, lignes épipolaires = droites. Géométrie épipolaire S 2 S 1 m 2. U.M.R. TETIS Constitution

UMR TETIS Cemagref-CIRAD-ENGREF

Construction d’un Modèle Numérique de Terrain

par stéréoscopie aérienne ou satellitaire

U.M.R. TETIS Constitution de MNT par stéréoscopie 2/ 36

1. IMAGES AERIENNES ET SATELLLITALES a) Images sources pour les MNTb) Modes d’acquisition

2. Photogrammétriea) Présentationb) Stéréoscopiec) Perception du reliefd) Equations fondamentales

3. Construction du MNT a) Acquisition des imagesb) Géométriec) Restitution du relief

4. Leica Photogrammetric Suitea) Présentationb) Processus photogrammétriques

PLAN


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


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)


Produits cartographiques

Courbes de niveau

Source : http://www.swisstopo.ch/fr/maps/sk/strahl.htm

Cartes d’ensoleillement


Produit technique

Cote de l’eau des casiers de la

plaine inondée

��N

Casier immergé

Sol

100m5m


Produits de communication

Bloc diagramme Drapage d’images


Produits numériques

• Orthorectification Intervisibilité


Format des MNT

Dans les SIG deux principaux formats sont utilisés:

• image vs «tracé»

• raster vs vecteur

MNT :

CourbesTIN

Mailles


FORMAT CLASSIQUE D'UN MNT

étendue

en Y ou

lignes

étendue en X ou colonnes

dx

dy

Taille de la maille

(résolution)

Origine (X,Y)

N (orientation)

Altitude de la maille

Structure de type « raster »


VISUALISATION DU MNT MAILLE

ECHELLE DE GRIS CLASSES DE COULEUR


75 - 118

119 - 162

163 - 206

207 - 249

250 - 293

294 - 337

338 - 381

382 - 425

426 - 469

470 - 513

514 - 557

558 - 601

602 - 645

646- 689

690 - 733

734 - 777

Classes d'altitude

exprimées en mètre

2 km

Echelle

N

Exemple MNT


0 - 5

6 - 10

11 - 15

16 - 20

21 - 25

26 - 30

31 - 35

36 - 40

41 - 45

46 - 50

51 - 55

56 - 60

61 - 65

66 - 70

71 - 752 km

Echelle

N

Classes de pente

exprimées en degrés

PENTES


2 km

Echelle

N

CHARTE DES COULEURS D'AZIMUT

DIRECTIONS DE PENTES (AZIMUT)


1. Images sources pour les MNT

Images optiques Images radar

Aéroporté, satellitaire

PhotogrammétrieClinométrie

Radargrammétrie

Interférométrie

Radarclinométrie

Images lidar

Altimétrie


1. IMAGES Modes d’acquisition

Différence entre capteur matriciel & capteur à défilement

Capteur matriciel

• un point focal par image

• acquisition instantanée de l’image

Capteur « pushbroom »

• succession de perspectives planes

• acquisition ligne à ligne de l’image

trace


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.

Restitution

photos aériennes images satellitaires

MNT orthophoto

Sources

stéréoscopie

Orthorectification


2. 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

Analogique Numérique

Source : Vision et mesures stéréoscopiques Otto Kölbl


2. Photogrammétrie Stéréoscopie

• Cas photos aériennes :

recouvrement

Direction de vol

60%30%

Zone commune à 3 clichés

Zone commune à 6 clichés


2. Photogrammétrie : Stéréoscopie

♦ Stéréoscopie avant/arrière

Quasi-simultanéité d’acquisition

(exemple SPOT 5)

♦ Stéréoscopie latérale multi passe

Flexibilité par réglage

angles de visée

MAISimages diachroniques

(changements conditions atmosphériques + terrain)

• Cas du satellite :



Stéréoscopie aérienne Stéréoscopie latérale type SPOT

H : altitude de prise de vue

f : focale de l’appareil

B : base de prise de vue

fS1

S2

B

H

h

Passage au jour J+4 Passage au jour J

Sens du déplacement

Surface de référence

pour la mesure

des parallaxes

élévation

parallaxe



Passages au jour J+10 J+5 JJ-5

Trace

au sol

♦ Cas de SPOT 1 à 4 :

orbite polaire, circulaire (830 km), cycle de 26 jours,

dépointage latéral de -27°à +27°



• 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


Couple stéréoscopique

Points homologues

Cliché 1Cliché 2

A

B

C

S1 S2

b2

a2

c2

c1

b1

a1

Axe de vol

2. Photogrammétrie : Perception du relief



Orthophoto

Cliché 1Cliché 2

A

B

C

S1 S2

b2

a2

c2

c1

b1

a1

a b c

Axe de vol


Axe de vol

N1 N2

S1 S2

Base de prise de vuesN3 N4

I

Interbase de prise de vues

B

échelle = f / HHauteur de vol H

Focale fS

N = O

Photo verticale

Nadir

Verticale

Axe optique (oblique)

S sommet de prise de vue

cliché

terrainO

Définitions



Perception du relief dépend de la différence d’angle d’incidence

Caractérisation configuration stéréoscopique : B/H = tan(αg) + tan(αd)

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 optimum pour restitution stéréoscopique : B/H = 1Spot (choix angles prises de vues) : 0 < B/H < 1,2

Aérien : B/H ~ 0,6

B

H

BH

Choix B/H

en fonction du terrain


2. 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

x

y

m

Y

Z

X

M

Terrain

cliché

Sm k SM = .

Relation entre coordonnées

terrain et coordonnées cliché


Condition de coplanéité :

si m1 est l’image de M sur le cliché 1 et m2 l’image de M sur le cliché 2,

les rayons S1m1 et S2m2 se coupent en M.

XM

S1 S2

m1

MYM

ZM

cliché 1 cliché 2

m2

Terrain

det ( S S , S m , S m ) = 0 1 2 1 1 2 2

Relation entre coordonnées

points homologues

2. Photogrammétrie : Equations fondamentales


3. Construction du MNT

MNT Orthophoto

Saisie manuelle

ou

Corrélation automatique

Photos aériennes à numériserAcquisition images

Géométrie

Restitution relief

Orientation interne ( chambre métrique )

Orientation externe ( par rapport au terrain )

Images satellitaires numériques


3. Construction du MNT : Acquisition images

♦ Scannage : résolution

ex : 300dpi = 84µm

Limite de l’émulsion :

grain sur papier ~ 10µm

♦ Etalonnage scanner

Acquisition images

Géométrie

Restitution

relief

Photos

aériennes

à scanner

Images

satellitaires

numériques

Pixel image résolution minimale MNT

( ~ 2 pixels )

ex : photos au 1/17 000,

pixel de 1.428m à 300dpi,

résolution > 3m.

Choix prises de vues :

B/H, météo, dates.


3. Construction du MNT : Géométrie

Marques

fiduciaires

Orientation

interne

Orientation

externe

Acquisition images

Positionnement

de S

par rapport

au cliché

Relative(rayons

homologues

se coupent)

Absolue (mise à l’échelle

et

orientation)

Points de

liaison

Points

terrain

Géométrie

Restitution

relief

Coplanéité

Colinéarité


Z

Y

X

Z0

X0

Y0

0

x

zImage orientée par

rapport au référentiel terrain

Orientation externe



Stéréopréparation : opération de terrain fournissant données points terrain repérables sur les photographies

point de contrôle connu en X,Y,Z

point de liaison

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



Sélection points de liaison

(tie points)

Primordial :

identification, distribution & densité des points d’amer

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

1 1

22

3 3

44

5 5

6

7


• 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

?



3. Construction du MNT : Restitution du relief

Acquisition images

Restitution

relief

Saisie

manuelle

Corrélation

automatique :

mise en

correspondance

points homologues

Stéréorestituteur :

opérateur suit les courbes de niveau

avec un ballonnet

Basée sur

ressemblance radiométrique

entre 2 images

Rapidité processus :

sur-échantillonnage images

+

travail en géométrie épipolaire

Géométrie


3. Construction du MNT : c) Restitution du relief

M

P (z max)

Q (z min)

cliché 1

cliché 2

q2

m1

p2

Tout point d'un rayon

perpespectif m1M

a son homologue

sur l'image de

ce rayon sur

l'autre vue, p2m2q2

Pour clichés aériens,

lignes épipolaires = droites.

Géométrie épipolaireS2

S1

m2



le long de la ligne épipolaire :

2 processus possibles

Image 2

Image 1

Fenêtre 1

Image 2 épipolaire

ouRectification

Fenêtre 2

Fenêtre 2


Comparaison des radiométries fenêtres : ?

Fonction de corrélationtraduit ressemblance radiométrique

entre les 2 fenêtres

Maximum de corrélation⇒ appariement pixels

Image 1 Image 2 épipolaire

Points homologues

OK

⇒ nécessite variabilité radiométrique


4. LPS : Présentation

Acquisition images

Processus

photogrammétriques

Restitution

visualisation

Photos aériennes scannées importées

• système de référence

• chambre de prise de vue

• points d’amer

Triangulation

Géométrie :


MNT Orthophoto


4. 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

• Coordonnées image :

marques fiduciaires, points de contrôle & points de liaison

→→→→ Précision < 0.5 pixel

PPS


4. LPS : orientation externe

Coordonnées points de contrôle & points de liaison

Image 1

Zoom

image 1

Image 2

Zoom

image 2

Point de

contrôle

Coordonnées

terrain

Coordonnées

image


4. LPS : Corrélation automatique

• Corrélation automatique : processus itératif

– différents niveaux de résolution

– géométrie épipolaire

• Restitution MNT puis orthophoto

1

2

3

Création orthophoto nécessite connaissance de :

– orientation chambre de prise de vues (mise en place géométrique )

– relief zone photographiée (MNT)


4. LPS : ORTHORECTIFICATION


4. MNT + Orthoimage : vue en 3D


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 1/25 000 : 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


Conclusion

• Essor télédétection

nombreux MNT construits

à partir de couples stéréoscopiques

• Intérêt : automatique mais problèmes de qualité

• 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

Agilité d’un satellite

multi-instruments


CALCUL DE RÉSEAU HYDROGRAPHIQUE ET BASSIN VERSANT


CALCULS HYDROLOGIQUES

• Définition d ’une fonction simplifiée pente et azimut

• Première étape : élimination des « trous »

• Calcul de surfaces de directions et d ’accumulation

1 3 3 5

1 3 2 9

2 3 8 5

3 1 4 5

1 3 3 5

1 3 3 9

2 3 8 5

3 1 4 5


Algorithme « Bouche trous » - itératif

1 3 3 5

1 3 2 9

2 3 8 5

3 1 4 5

1 3 3 5

1 3 3 9

2 3 8 5

3 1 4 5

Principe


CALCUL DES SURFACES DRAINEES

19 26

17 21

22 30

28 32

37 41

32 39

42 45

45 48

11 10

9 8

17 16

20 20

10 12

6 9

15 18

20

42

23

30 30

24 25

35 35

40 40

31 33

27 29

38

41

40

1. MNT (Altitudes)

1 2 3

4

567

8

2. Directions d'écoulement

3. Codes d'écoulement

1 1

8 8

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

3 3

4 4

3 3

3 3

2 1

2 8

2 1

2

1

1

2 1

2 3

2 2

2 2

1 1

1 1

1

1

1

4. Surfaces cumulées

2 1

3 1

2 1

2 1

2 1

2 1

2 1

1 1

1 2

1 3

1 12

11 9

33 3

48 6

17 3

4

1

3

3 6

10 4

2 3

1 1

3 3

4 3

2

1

2

17 Exemple de réseau : tout pixel dont la surface drainée >5


Extraction du réseau hydrologique


Du MNT au réseau hydrographique potentiel

Documents

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