Acquisition d’images pour la photogrammétrie par drone ou ULM

L’objectif de ce travail est d’évaluer le potentiel d’une méthode de restitution du relief immergé de la rivière à partir d’images acquises par des capteurs non-métriques embarqués sur des plates-formes légères. On utilise indifféremment dans tout le chapitre le vocabulaire plate-forme ou vecteur pour désigner le drone ou l’ULM, c’est à dire l’appareil sur lequel est embarqué le capteur. Ce chapitre est en effet centré sur l’étude d’une acquisition d’images pour une mission photogrammétrique avec de tels vecteurs. On détaillera dans une première section les contraintes spécifiques liées à notre application. Ce sont en effet ces contraintes qui ont déterminé d’une part les choix des technologies utilisées (plate-forme et capteur), et d’autre part le protocole terrain. Enfin on exposera de manière résumée les caractéristiques, en terme de potentiels et limitations, d’acquisitions réalisées dans ces conditions. 6.1 Paramètres imposés et variables à optimiser 6.1.1 Cahier des charges pour l’acquisition des images Comme on l’a vu dans l’introduction à cette partie, la méthode de mesure du relief immergé par stéréophotogrammétrie à travers l’eau a des conditions d’application tel-00818380, version 1 – 25 Jul 2013 a priori très restrictives et spécifiques. Entre la constatation sur le terrain de bonnes conditions expérimentales – turbidité, météo – et la prise de vue, le temps de réaction doit être court. On met donc en oeuvre un protocole expérimental adapté, prenant en compte en plus de ces contraintes le critère du coût, à comparer avec celui d’un relevé terrain (figure A en annexe). L’utilisation de drones, ou encore d’ULM, semble donc adaptée [Zafrir et al., 1993, Asseline et al., 1999,Ambrosia et al., 2003,Chaponnière, 2004,Sugiura et al., 2005,Hardin et Jackson, 2005,Labbé et al., 2007,Lejot et al., 2007]. Ces solutions technologiques ont une conséquence sur le choix des instruments embarqués. Ces derniers doivent être peu encombrants, légers, et relativement bon marché (risque lié à l’embarquement sur une plate-forme légère) [Tomlins, 1983, Labbé et al., 2007]. On fixe ainsi un certain nombre de paramètres de l’acquisition comme le domaine des altitudes et des vitesses de vol, ou les caractéristiques de l’équipement embarqué (poids, performance). On optimisera cependant les variables de l’acquisition à l’intérieur des domaines proposés par les plates-formes et les capteurs disponibles. On vise ainsi à constituer un jeu de données exploitable en stéréo.

Utilisation de plates-formes légères et de capteurs nonmétriques

Nous avons testé différents protocoles, mettant en jeu des plates-formes légères (drone, ULM). Un premier test a été réalisé avec le drone paramoteur Pixy (figure 6.1), disponible à la Maison de la Télédétection de Montpellier. Le test a montré que ce type de plate-forme permettait l’acquisition de couples stéréoscopiques [Arrighi, 2004], mais d’une manière ponctuelle et sporadique, du fait principalement de sa sensibilité au vent et aux turbulences. En revanche l’utilisation de drones permet beaucoup de souplesse dans la logistique d’acquisition. De plus, avec des solutions technologiques différentes, notamment des vecteurs plus stables (avions, hélicoptères), équipés de systèmes d’aide au pilotage ou même de pilotes automatiques, leur potentiel est extrêmement prometteur. A la suite de cette expérience, il a été décidé d’embarquer à bord d’un ULM des capteurs utilisables sur un drone. On peut ainsi mettre en place la méthode qui pourra tel-00818380, version 1 – 25 Jul 2013 pour lesquels la stabilité et le contrôle du vol sont meilleurs qu’avec le Pixy. L’engin utilisé est un Ballerit HM-1000 (figure 6.2). Cet aéronef, qui peut être remorqué sur son train principal, avec une voilure repliable au gabarit routier, est plus connu sous nom de « Pou du ciel » [Mignet, 2001]. Cet appareil est diponible en biplace et permet donc à un pilote Fig. 6.2 – Un Balerit HM 1000 (Photo Peter Vercruijsse) d’emmener un photographe. Ce dernier manipule le capteur à l’aide d’une plate-forme tenue à la main (figure 6.3(b)). La charge utile du modèle biplace est de 200 kilos. La vitesse minimale de sustentation par vent calme avec carénage est de 55 km/h avec un moteur 582 Rotax de 64 chevaux [Mignet, 2001]. La vitesse de vol minimale opérationtel-00818380, version 1 – 25 Jul 2013 Chapitre 6. Acquisition d’images par drone ou ULM 86 nelle acceptée par les pilotes est en générale un peu supérieure. Le capteur utilisé est un Sony DSC-F828 (figure 6.3(a)). Cet appareil numérique petit format permet d’acquérir des images utiles de 3264 par 2448 pixels. Il dispose d’un objectif dont la focale peut varier entre 28 et 80 milimètres (focales équivalentes). Il pèse moins d’un kilo (955 grammes avec accessoires) [Sony, 2003]. Ce type d’appareil peut donc aussi bien être embarqué sur le drone Pixy, dont la charge utile est comprise entre 500 grammes et 3.3 kilos selon la voile [Asseline et al., 1999], ou encore à bord du drone avion de l’Avion Jaune (figure 6.4), dont la charge utile est de 2 kilos [Labbé et al., 2007]. (a) Capteur [Sony, 2003] (b) Mise en oeuvre. Les choix de plate-forme et de capteur ont fixé plusieurs paramètres pour l’acquisition des images. Il reste néanmoins un certain nombre de variables à optimiser de manière à former un jeu de données exploitable en stéréo pour une application thématique en hydrobiologie ou en hydraulique (table 6.1).

Protocole d’acquisition des images

Afin d’acquérir un jeu de données exploitable en stéréo, il faut élaborer un protocole d’acquisition spécifique : (i) du terrain ; (ii) des technologies utilisées. On expose donc dans une première section les contraintes spécifiques de notre expérimentation. On détaillera ensuite les choix effectués, puis le travail sur le terrain faisant partie du protocole. Enfin on donnera quelques informations sur la mise en oeuvre pratique de l’acquisition. 6.2.1 Contraintes Pour la formation d’un jeu de données exploitable en stéréo les points suivants doivent être examinés : exposition correcte de l’ensemble de l’image (partie émergée et immergée), limitation de l’effet de filé, couverture stéréo à 100% de la partie immergée, couverture des berges permettant le positionnement sur le terrain et la présence dans l’image de points de contrôle au sol (mires), optimisation de la précision de la mesure tel-00818380, version 1 – 25 Jul 2013 Chapitre 6. Acquisition d’images par drone ou ULM 88 en X, Y et Z (résolution au sol et B/Z). L’exposition correcte est assurée d’une part en utilisant un filtre polarisant, dont le but et de limiter au maximum les réflexions spéculaires [Mount, 2005], et d’autre part en sous-exposant globalement l’image, de manière à ne pas saturer les zones émergées. Ces dernières ont en effet une radiométrie très forte (cailloux clairs, fort éclairement) et les mires doivent pouvoir y être repérées. Le filé réel perceptible se calcule à partir de l’équation suivante [Krauss et Waldhäusl, 1998] : filé = 1 2 v tobt · c Z (6.1) où v est la vitesse de la plateforme et tobt le temps d’obturation. À vitesse de vol v et temps d’obturation tobt fixés, le filé est inversement proportionnel au facteur d’échelle Z/c. Cela correspond au fait qu’en pratique, les prises de vue à très haute résolution spatiale doivent être réalisées à partir de plates-formes lentes. L’utilisation du Sony DSC-F828 à bord de l’ULM impose une limite inférieure à la résolution des images. La couverture stéréo à 100% de la zone immergée est assurée en fixant le recouvrement des images à 60%. On obtient en conséquence – figure 6.5 – une relation de proportionnalité inverse entre B/Z et focale c qui peut se calculer par la formule : B Z = (1 − Rp)·Lmatrice c , avec Rp = R B + R (6.2) où R est le recouvrement longitudinal, B la base des prises de vue, Lmatrice la longueur de la matrice en pixels et c la longueur focale (ou distance principale) en pixels. En pratique, le recouvrement longitudinal est commandé par l’intervalle de temps minimum permis par l’appareil photo entre deux prises de vues, la vitesse de la plateforme – constante – étant connue. Ce temps dépend du mode de prise de vue de l’appareil (raw (brut), tiff non compressé, jpeg). Le format brut conserve les données telles qu’enregistrées sur la matrice ccd et nécessite un long temps de transfert (plus d’une dizaine de secondes en pleine résolution) ; l’acquisition au format non compressé est elle aussi plus lente que l’acquisition en mode prise de vue normale [Sony, 2003]. Le mode de prise de vue normale effectue une compression des images.