Acquisition de données microtopographiques

Trois principales méthodes ont été mise en œuvre sur le terrain pour effectuer les levés microtopographiques et générer les MNT : scanner au sol (TLS, pour Terrestrial Laser

Scanning), photogrammétrie aérienne par cerf-volant (KAT, pour Kite Aerial Topography), et photogrammétrie aéroportée par drone.

I.3.1.1. Scanner 3D

Le scan 3D utilisé est un TLS moyenne portée (330 m en théorie) de la marque Faro^®. Le principe est d’effectuer une série de scans à 360° à partir d’un module de scan composé d’une tête rotative, mesurant par impulsions radar à la fois la distance et la réflectance des objets et permettant ainsi une imagerie 3D haute résolution (densité théorique de 2 points par cm² à 20 m). Les différentes acquisitions de nuages de points sont ensuite alignées, filtrées puis assemblées à l’aide de plusieurs logiciels dédiés, brièvement décrits dans les sections suivantes. Le scanner utilisé est également muni de plusieurs capteurs (notamment GPS, clinomètre, boussole, altimètre et appareil photo) permettant d’une part une acquisition correcte des données (horizontalité des stations et estimation de leurs positions relatives), et d’autre part une optimisation du traitement, notamment pour les étapes d’alignement des différents scans.

L’acquisition doit tenir compte des zones d’ombre générées par la topographie et de la faible hauteur de l’appareil, simplement fixé sur un trépied à environ 1,7 m du sol. Un scan depuis le toit d’un véhicule permet de gagner en hauteur, mais la présence de vent peut cependant gêner la mesure en faisant osciller le véhicule, et être ainsi source d’artefact sur les résultats finaux. Le placement des stations est crucial pour une bonne couverture de la zone étudiée, et des schémas de configuration de scan sont systématiquement réalisés avant chaque manipulation. En plus de guider l’acquisition, ces schémas sont d’une grande utilité pour optimiser l’alignement lors du post-traitement des données. L’alignement peut être réalisé selon plusieurs procédés, le plus précis étant l’utilisation de cibles fixes. Ces cibles, constituées de sphères blanches (pour maximiser la réflectance, et donc leur identification) ou de damiers, sont distribuées le plus largement possible autour des stations, de façon à spatialement contraindre au mieux les positions relatives des stations de scan et permettre l’alignement précis des nuages de points. Néanmoins, la distance entre cibles et stations ne doit pas excéder 20 m, distance au-delà de laquelle la densité de points sur une cible n’est plus suffisante pour qu’elle soit identifiée par le scanner. Dans ce cas, l’alignement basé sur cible ne

peut pas être réalisé, et un alignement de ‘nuage à nuage’ est nécessaire, avec un ajustement manuel au premier ordre.

Le traitement des données de scan est effectué par l’utilisation successive des logiciels suivant :

i. Logiciel ‘Scene®’ propre aux scanner Faro® : dépouillement des fichiers, alignement sur cibles, export des fichiers au format nuage de point (.e57).

ii. LAS Tool (Isenburg, 2012) : outils spécialisés dans le traitement de données type ‘nuage de points’. Filtration des éléments de scan ayant une forme de moins de 50cm de diamètre pour une hauteur de plus de 20cm. Les objets ayant une telle morphologie sont, dans le contexte écosystémique et géomorphologique du Gobi-Altaï (végétation exclusivement herbacée et érosion souvent dominée par la déflation), associés à des touffes d’herbes. Cette étape permet ainsi de s’affranchir d’une partie du signal lié à la végétation. Les fichiers sont exportés en format lidar (.las) pour la suite du traitement.

iii. Logiciel Cloud-Compare : alignement si cibles non détectées, optimisation de l’alignement, filtre de point caché (hidden point removal) pour partiellement s’affranchir de la végétation restante.

iv. Global Mapper® : rasterisation, interpolation si nécessaire.

Les MNT sont ensuite exportés à des résolutions allant de 5 cm à 20 cm, en fonction de la texture de la zone investiguée, de la surface couverte et de la densité de stations. Les photos permettent finalement de colorer les orthophotos.

L’avantage de cette méthode est la précision des mesures, donnée à 2 mm par le constructeur (cf. « Faro doc. » 2017). Les principales limites sont l’absence de géoréférencement des données de topographie finales, ainsi que le temps de traitement, notamment dans le cas d’un alignement dit ‘de nuage à nuage’, partiellement manuel. Localement, des artefacts peuvent persister dans les zones peu ou pas recoupées par plusieurs stations, principalement associés à la nature radiale de la mesure et à la présence de végétation (en particulier, les hautes herbes entrainent ce type d’artefact). Il est à noter qu’une attention toute particulière est donnée à l’imagerie des piercing lines. Ainsi les artefacts n’impactent pas, dans l’ensemble, les mesures de décalages.

I.3.1.2. KAT

L’acquisition de photos aériennes à différentes positions et selon différents angles de visée permet de générer des MNT et des orthophotos par traitement photogrammétrique. Le système utilisé est constitué d’un cerf-volant mono-ligne, et d’un appareil photo fixé sur un support mobile dédié à ce type d’acquisition, lui-même suspendu à la ligne du cerf-volant. Le système de fixation de l’appareil photo permet de changer l’incidence et l’azimut des prises de vue entre chaque photo. Les photos sont prises automatiquement à intervalle de temps régulier, à l’aide d’une carte SD spécialement programmée à cet effet. Bien entendu ce système reste tributaire des conditions aérologiques (i.e. force du vent modérée et absence de nébulosité en basses couches).

Le traitement des photographies est effectué selon un protocole de ‘structure from

motion’, sous le logiciel commercial Agisoft Photoscan®. Afin d’assurer le géoréférencement, des mires géolocalisées par GPS différentiel peuvent être placées au sol. Ces points de contrôles permettent d’une part l’optimisation du traitement photogrammétrique, et d’autre part le géoréférencement des MNT et orthophotos produits.

L’avantage certain de cette méthode est l’indépendance énergétique du système aéroporté (des batteries sont tout de même nécessaires pour l’appareil photo et pour le support). L’une des principales limites de cette méthode reste néanmoins le faible contrôle de la distribution spatiale des clichés. En effet, bien que l’azimut et l’incidence des prises de vues soient variables, le cerf-volant mono-ligne n’est pas contrôlable, et les mouvements décrits par le cerf-volant dans une masse d’air turbulente limitent l’exhaustivité de la couverture de la zone investigué par les photos. Ceci entraine des difficultés de traitement (non corrélations de certaines images) et ainsi une couverture parfois partielle de la zone d’étude par les données. Enfin, la nature herbeuse des steppes mongoles du Gobi-Altaï entraine une texture uniforme de la surface du sol, limitant par là même le potentiel de corrélation de différentes photos. Les MNT produits par cette méthode ont des résolutions de 10cm à 30cm selon la qualité et le nombre de prises de vue.

I.3.1.3. Photogrammétrie par drone

Une seconde méthode d’acquisition de photographies aériennes fut l’utilisation d’un drone DJR® équipé d’un appareil photo 13 Mpx. Les photos ont été réalisées à une hauteur de 200 à 300 m au-dessus du sol, avec un angle d’incidence de 80°. Les prises de vue sont effectuées automatiquement toute les 5 secondes, de manière à ce que

chaque point au sol soit visible au moins 3 fois en un passage – soit au minimum 60 % de recouvrement. Pour une meilleure acquisition, la couverture de la zone doit autant que possible être effectuée selon un quadrillage. En effet, un passage simple ou aller-retour selon une trajectoire rectiligne aura pour conséquence de maximiser l’effet de ‘doming’ inhérent au traitement photogrammétrique de photos aériennes (James et Robson, 2014). Le drone étant équipé d’un GPS différentiel entre l’engin et la commande, le géoréférencement des images est automatique, et cette information, prise en compte lors de la modélisation photogrammétrique par ‘structure from motion’, permet un géoréférencement des MNT et orthophotos. Les résolutions obtenues selon cette méthode, fonction de l’altitude d’acquisition, de la résolution de l’appareil photo et du nombre de clichés, sont de 5 à 10 cm pour les orthophotos, et de 10 à 20 cm pour les MNT.

Les principaux avantages que présente cette méthode d’acquisition sont sa rapidité d’exécution et de traitement, sa simplicité de mise en œuvre et la précision des données obtenues (qui reste dépendant de la distribution des photos, de leurs résolutions, et du géoréférencement). Le principal inconvénient réside dans la lourdeur des procédures administratives pour l’utilisation des drones – même si la Mongolie présente à ce jour un certain vide juridique à cet égard.