FI spécial été 2007 - Images

Une image aérienne de 20 milliards de pixels pour Neuchâtel

mardi 28 août 2007, par Marc RIEDO

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Introduction

L’accès à des images satellites et aériennes s’est démocratisé de manière fulgurante ces deux dernières années avec l’arrivée remarquée de solutions de cartographie Internet comme Google et Yahoo maps et les globes virtuels (Google Earth, NASA World Wind, Microsoft Virtual Earth). Les centaines de millions de personnes qui se sont approprié ces logiciels peuvent désormais visualiser des images de ce type jusque-là souvent réservées à un équipement informatique spécialisé et à une utilisation par des scientifiques ou des professionnels. Ces solutions ont notamment pu voir le jour grâce à une évolution importante des techniques d’acquisition de données géographiques, dont voici quelques étapes :

Dès 1990 : photogrammétrie numérique et GPS.
La photogrammétrie est une technique permettant, à partir d’un couple stéréoscopique de photographies, d’étudier et de définir avec précision les formes, les dimensions et la position dans l’espace d’un phénomène. Le GPS est un système de géolocalisation par satellites.
Dès 1995 : géoréférencement direct (GPS-INS).
En combinant une localisation de type GPS et une station inertielle (ensemble d’accéléromètres et de gyroscopes capables de mesurer les accélérations et les vitesses de rotation selon les trois axes de l’espace) dans un aéronef, il est possible de connaître en temps réel son positionnement et donc de la caméra embarquée.
Fin des années 1990 et début 2000 : laser scanner et radar aéroporté ou héliporté.
Ces deux technologies permettent de réaliser rapidement et presque automatiquement des modèles numériques de terrain sur de grandes surfaces. Space Radar Topographic Mission [1] (SRTM) en 2001 a permis de déterminer le modèle numérique de terrain (MNT) le plus précis à l’échelle de la planète (1 point XYZ tous les 30m). Ce modèle fut déterminé par interférométrie radar à partie de la navette spatiale Endeavour. Il est utilisé comme relief dans les globes virtuels.
Dès 2002 : Imagerie numérique à très haute résolution
(20 cm ou mieux pour les images aériennes, submétrique pour les images satellites - Ikonos, Quickbird) et combinaison de capteurs. On voit apparaître les premières caméras numériques aériennes de plus de 20 millions de pixels par cliché. Une autre tendance est l’intégration de plusieurs capteurs sur un même système, images et laser. Pour couvrir de petits secteurs, l’EPFL a par exemple développé le système scan2map [2] commercialisé depuis 2005 sous le nom Helimap [3]. Ce système héliporté combine balayage laser (jusqu’à 8 points/m2) et image aérienne numérique (jusqu’à 5 cm de résolution).

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système Scan2map

Les systèmes les plus classiques pour photographier la terre sont les avions et les satellites. D’autres systèmes aériens prennent de plus en plus d’importance : navette spatiale (SRTM), hélicoptère, hélicoptère télécommandé [4], drônes (UAVs - Unmanned Airborne Vehicles), aérostats (LTA - Lighter Than Air Vehicle [5]).
La production et la gestion de ces images de la terre nécessitent tout de même de relever un certain nombre de défis (météo, positionnement, calibration, qualité et précision, stockage et gestion de volumes importants de données, etc.) et de maîtriser un matériel et des logiciels sophistiqués. L’objectif de cet article est de présenter brièvement les étapes et les caractéristiques d’un projet de réalisation d’une couverture de photos aériennes - orthophotographies - à l’échelle d’un canton suisse. Les orthophotographies (ou orthoimages) sont des images aériennes ou satellitaires de la surface terrestre rectifiées géométriquement et égalisées radiométriquement. La correction géométrique des images permet d’éliminer les déformations inhérentes au système de prise de vue et au relief ce qui permet de les utiliser comme un plan sur lequel on peut mesurer des distances et des surfaces. Ces images peuvent ainsi être superposées avec d’autres données cartographiques. Il est donc nécessaire d’avoir une information précise sur le positionnement de la caméra, le système de prise de vue (calibration) et sur le relief (modèle numérique de terrain).


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orthophoto 5cm à Bevaix

Réalisation d’une orthophoto aérienne pour le canton de Neuchâtel

Le canton de Neuchâtel a fait une première acquisition de photo aérienne en 1998 auprès de Swisstopo : le produit Swissimage [6] d’une résolution de 50 cm réalisé avec une caméra analogique. Son utilisation s’est généralisée dans de nombreux domaines : aménagement du territoire, environnement, forêt, agriculture, viticulture, cadastre, routes, services d’intervention, etc. Comme le territoire évolue rapidement, une mise à jour s’est imposée et il a été décidé de réaliser une orthophoto quatre fois plus précise en utilisant les nouvelles caméras numériques et une modélisation très précise du relief. Un autre projet financé par la confédération (topographie et agriculture) et les cantons (cadastre) a permis d’établir en 2002 (pour le canton de Neuchâtel) un modèle numérique de terrain par balayage laser aéroporté à très haute résolution ( 1 point connu en XYZ tous les mètres, alors que le modèle le plus précis jusque-là à l’échelle de la Suisse était de 1 point par 25 mètres).


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modèle numérique de terrain par balayage laser

La conjonction de l’utilisation des nouvelles caméras numériques et la disponibilité d’un modèle de terrain très précis apportent un certain nombre d’avantages. Cela permet une réduction du coût et du temps de production grâce au système GPS+INS embarqué, la suppression de l’étape de scannage des images qui impliquent aussi une perte de qualité même avec les meilleurs scanners, une amélioration de la précision grâce à un modèle numérique de terrain plus précis et une amélioration de la qualité liée à la meilleure dynamique des images réalisées par des caméras numériques. Un autre avantage non négligeable est la disponibilité simultanée d’images couleur et proche infrarouge.

Voici quelques caractéristiques du projet d’orthophotos numériques pour le canton de Neuchâtel :

Orthophoto
Nom du produit : ImageOne2006
Résolution : 20 cm
Couleurs : RGB 24 bits, Proche Infrarouge (CIR) et panchromatique
Précision planimétrique : moins de 30 cm
Taille de l’orthophoto totale : 20 milliards de pixels
Volume total du projet : 3 Terabytes (soit environ 3000 cdroms)
Système de coordonnées : Système suisse MN03 / MN95
MNT utilisé pour la rectification des images : MNT-MO modèle lidar 2002, 1 point par m2
Entreprise mandatée et coûts du mandat
Orthophotos : Flotron AG Vol : ILV Fernerkundung Gmbh
Coût approximatif du mandat : 120 KF
Caméra et clichés
Type de caméra : caméra numérique (CCD) DMC Zeiss/Intergraph
Focale : 120 mm
Dynamique des clichés : 12 bits par canal (R, G, B, IR, Pan)
Nbre de pixels par cliché : 7680 x 13824, soit 100 millions de pixels par cliché
Résolution spectrale : bleu : 400-580nm, vert : 500-650nm, rouge : 590-675nm, proche IR : 675-850nm
Avion et caractéristiques du vol
Type d’avion : Cessna 404
Vitesse de vol : 230 km/h
GPS/INS : DGPS / INS Trimble 5700, 0.1 sec, Aerocontrol (IGI)
Hauteur de vol (msm) : 2700-3100m
Date de vol : 11 juin 2006
Résolution photo sur terrain : 18 cm
Recouvrement longitudinal et latéral des clichés : 70/55
Type d’ajustement : Aérotriangulation (Bundle Block), Orthophoto ( bicubique)

Les grandes étapes de production d’une telle orthophoto furent :

Planification du vol

Le choix d’une période de vol n’est pas évident, car l’interprétation des images et les utilisations possibles en dépendent. La saison est notamment déterminante pour l’analyse de la végétation. La présence de neige l’hiver peut également masquer certains éléments importants de la couverture du sol. Pour obtenir des belles images avec des arbres en feuilles, les vols sont généralement planifiés dès le mois de mai. L’heure du vol a aussi une importance particulière puisqu’elle conditionne la présence plus ou moins prononcée des ombres. Les prises de vues sont effectuées à la mi-journée afin de réduire les ombres au minimum. Ces contraintes ne sont pas évidentes à respecter, car il faut trouver à cette période un jour ensoleillé, de bonne visibilité, sans vent et sans nuages en altitude (vol à 3000m). Le projet initial était prévu pour le mois de juin 2005. Suite à plusieurs tentatives infructueuses liées à des conditions météorologiques particulièrement défavorables pour la photographie aérienne, il a été nécessaire de reporter le vol d’une année.


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planification du vol : lignes de vol et centres de projection des clichés (CN500, Swisstopo)

La planification du vol doit être préparée de manière rigoureuse pour garantir la précision planimétrique, la résolution et le recouvrement minimal souhaité des clichés. Cette planification qui tient compte du secteur à couvrir, des caractéristiques de la caméra, du relief, détermine précisément les lignes de vol et les centres de projection de clichés (voir ci-dessus). La planification a été déterminée à l’aide d’un logiciel spécifique développé par la société Flotron. Une campagne de détermination et matérialisation de points de signalisation au sol est aussi nécessaire pour garantir la précision au sol exigée (< 30cm).

Vol et photographie du territoire

Le vol définitif a eu lieu le 11 juin 2006 sur l’ensemble du canton avec des conditions météorologiques excellentes. Les premières caméras numériques aériennes professionnelles ont été mises en exploitation il y a 5 ans. Même si elles ont tendance à supplanter les caméras analogiques, le nombre d’exemplaires en exploitation au niveau mondial est encore réduit à moins d’une centaine étant donné le coût d’acquisition de l’ordre du million de francs. La caméra retenue par la société Flotron (DMC, Digital Mapping Camera de Zeiss-Intergraph) est un capteur de type surfacique (4 capteurs CCD de 7000 * 4000 pixels), avec une résolution radiométrique de 12 bits et une taille de pixel de 12 µm. Le vol a produit 1600 clichés (couleurs et infrarouge) de 100 millions de pixels par cliché.

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matériel à bord de l’avion
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caméra numérique DMC

Correction géométrique et radiométrique des images

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cliché (a), résultat de l’orthorectification (b) et assemblage d’orthophotos (c)

La correction géométrique des images est une partie importante d’un projet de production d’orthophotos. Les principales étapes sont :

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mosaïque d’orthophotos corrigées radiométriquement
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orthophoto au centre de Neuchâtel

L’étape du calcul du relief a pu être évitée grâce à la disponibilité du modèle de terrain réalisé par balayage laser effectué en 2002. Un certain nombre de corrections de ce modèle ont cependant dû être effectuées manuellement (ouvrages, ponts, nouveaux tronçons d’autoroute).
Les vues aériennes doivent encore être assemblées (mosaïque) et corrigées radiométriquement de sorte que l’ensemble de la zone couverte par le projet soit représenté sur une photo dont les couleurs sont équilibrées.
Ces étapes font appel à un ensemble de procédures en grande partie automatisées et de logiciels spécifiques (pour ce projet, aérotriangulation : KLT, Photo-T et Bingo, orthorectification : OrthoMaster, mosaïquage et correction radiométrique : OrthoVista, retouche d’images : Photoshop).
La résolution finale de 20cm au sol permet une plage d’utilisation très importante, soit de l’échelle cantonale 1:500’000 jusqu’à une échelle détaillée du 1:500.

Compression, publication et archivage des images

Le traitement, la gestion et la publication d’images de cette taille nécessitent des capacités importantes de calcul. Grâce à des algorithmes de compression très efficaces, dont la compression par ondelettes [7], il est possible de réduire drastiquement le volume total quasiment sans perte de qualité visuelle. Une orthophoto globale de 20 milliards de pixels peut ainsi être comprimée de manière à être fournie sur un seul DVD. Ces données sont aussi accessibles sur une application Internet de cartographie interactive ou directement. De plus, les images peuvent être appelées par des services Web, par exemple en passant en paramètres, les coordonnées du centre, l’échelle et la taille de l’image souhaitée :

L’archivage numérique des trois terabytes de données du projet a été complété par un archivage sur support papier longue durée ILFOCHROME.

Utilisation des données

Les orthophotos aériennes sont utilisées régulièrement par des centaines d’utilisateurs au niveau cantonal. Elles permettent de localiser les événements, de donner le contexte, de voir l’évolution du territoire, de simuler l’impact de modifications du territoire, de saisir d’autres données cartographiques dérivées ou pour des analyses plus sophistiquées (par exemple du traitement d’images proche-infrarouge pour la distinction des feuillus résineux en foresterie). Elles sont aussi très souvent utilisées conjointement avec une représentation précise du relief. Voici quelques exemples d’utilisation dans différents domaines :

Services d’intervention
Localiser les sinistres pour les services d’intervention (pompiers, police, ...)
Planifier les interventions
Gestion et suivi de catastrophes
Aménagement du territoire
Analyse de l’évolution du territoire
Etablissement de plans de quartiers
Suivi des demandes de permis de construire
Avant projets routiers
Modèle 3D urbains
Foresterie
Calculs des taux de boisements pour les paiements directs
Planification forestière : reconnaissance des essences forestières avec le proche infrarouge, analyse de l’état sanitaire de la forêt (détermination d’arbres malades), analyse de dégâts
Environnement
Planification et réalisation des mesures d’entretien et d’aménagement dans les marais
Inventaire cantonal des objets méritant protection (ICOP)
Cartographie des dangers naturels
Gestion foncière
Vérification et mise à jour de la mensuration officielle
Réalisation d’améliorations foncières
Production de données cartographiques
Vectorisation des réseaux routiers et hydrographiques
Réalisation du plan topographique au 1:5000

Conclusions

Chaque année qui passe, de nouvelles technologies d’acquisition et de traitement de données permettent de construire une représentation plus détaillée de notre planète. Avec le vol d’Endeavour en 2001, nous disposons d’une information 1000 fois plus précise qu’auparavant du relief de notre planète. Les images satellites (Landsat est capable de faire une image complète du globe toutes les deux semaines), les images aériennes et les autres capteurs se complètent pour alimenter des représentations tridimensionnelles des plus en plus efficaces de notre territoire. Petite goutte d’eau à l’échelle mondiale (1 millionième de la surface), la réalisation d’une image aérienne à l’échelle d’un canton fut un projet exigeant qui a permis d’exploiter les technologies d’acquisition et de traitement de données les plus novatrices. Le résultat est un produit qui a pour vocation de répondre aux exigences grandissantes des utilisateurs en terme de qualité, de précision, d’actualité et de facilité d’accès. Il doit apporter un gain de temps significatif dans de nombreuses tâches en lien avec le territoire et contribuer à mieux appréhender son évolution.

Documents joints

Notes

[1] Projet SRTM

[2] Projet scan2map

[3] Projet Helimap

[4] Projet EPFZ

[5] Article sur les aérostats

[6] Produit Swissimage

[7] FI4/01 : Compression d’images en télédétection et systèmes d’information géographique par Marc Riedo et Abram Pointet


Marc RIEDO

FI spécial été du 28 août 2007

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