Un prototype de la méthode CRAB a été développé en suivant la méthode théorique présentée précédemment. La Figure 2.8 présente son architecture logiciel. Dans un premier temps, les données bathymétriques sont traitées manuellement avec le logiciel Qimera. Ceci permet de faire le géoréférencement des données et d’exporter le nuage de points bathymétrique dans plusieurs fichiers de type ASCII. De plus, une surface CUBE est créée et exportée en format GeoTiff à partir de Qimera. Dans un deuxième temps, le nuage de points bathymétrique et la surface CUBE sont traités par un script python contenant une série de commandes provenant de trois sources : GRASS GIS, librairie CRAB et SAGA GIS. Dans un troisième temps, les plans précis obtenus par l’outil d’extraction CRAB sont exportés en format ASCII. Les résultats de la méthode sont ensuite analysés avec Matlab pour la production de graphiques et de tableaux et avec le logiciel QGIS pour la création de cartes.
CRAB librairie Outils SIG Géomorphons Traitements bathymétriques Application
(exécutables) Analyse des résultats
La première contribution importante de ce projet est le script de commandes python. Ce dernier est l’élément maître de l’architecture puisqu’il contient l’appel de tous les exécutables (c.-à-d. les fichiers .exe) ainsi que leur paramétrage. Le logiciel libre GRASS GIS est utilisé pour sa fonction r.geomorphon permettant de faire la classification de la morphologie du terrain de la surface CUBE. Ensuite, les autres étapes de la segmentation des plans approchés sont réalisées avec des outils du logiciel libre SAGA GIS. Ce dernier permet notamment de faire la gestion du nuage de points et de vectoriser les cellules de la grille matricielle des géomorphons correspondantes aux fonds de type plat et en pente.
La deuxième contribution importante de ce projet de recherche est la création de la librairie CRAB écrite en C++ et utilisant des outils de la librairie de traitements de nuage de points
Point Cloud Librairy (PCL). La librairie CRAB contient une classe d’objet permettant de faire
la gestion du nuage de points bathymétrique et des traitements de la phase d’extraction de plans précis. Par exemple, la librairie CRAB contient des méthodes pour calculer les vecteurs normaux locaux et faire la croissance de régions. De plus, la librairie CRAB contient des objets permettant de faire la gestion des plans approchés et des plans précis. En outre, la librairie CRAB contient plusieurs fonctions diverses comme celles pour calculer la moyenne généralisée et pour calculer une équation de plan par compensation par moindres carrés. Par ailleurs, une fonctionnalité importante provenant de PCL et utilisée dans la librairie CRAB est la structure en octree. Cet élément est primordiale pour la réalisation de la méthode de croissance de régions. En effet, l’octree permet de faire des recherches de voisinage, mais aussi d’identifier les voxels voisins à un point du nuage de points.
Par la suite, la librairie CRAB est compilée pour produire un fichier de librairie statique (fichier .lib). En plus de la librairie compilée, un exécutable rgab-extract.exe est produit per- mettant de faire tous les traitements de la phase d’extraction de plans précis. Cet exécutable utilise toutes les fonctionnalités de la librairie CRAB et il est appelé dans le fichier de com- mandes python. Pour plus d’informations, l’Annexe B présente tous les aspects techniques liés au fichier de commandes Python et la librairie CRAB.
Chapitre 3
Résultats et discussion
3.1
Méthode de validation
3.1.1 Description des jeux de données
Pour évaluer la méthode d’extraction de plans CRAB, trois jeux de données ont été utilisés. Le Tableau 3.1 présente leurs caractéristiques. Tout d’abord, le jeu de données J1 a une topographie de type fond plat. Cette zone de levé est située au large de Rimouski dans le fleuve Saint-Laurent. Ce jeu de données a été acquis par le CIDCO (Centre Interdisciplinaire de Développement en Cartographie des Océans) en 2015 avec un porteur hydrographique tracté par la vedette hydrographique F.-J. Saucier. Le porteur hydrographique était équipé d’un multifaisceau Reson Seabat T20P. Les sondes de célérité de surface et de profondeur étaient respectivement le Reson SVP70 et AML BaseX. La centrale inertielle utilisée était l’Applanix PosMV320. Le jeu de données J1 a été utilisé pour réaliser une première validation de la méthode CRAB. En effet, la topographie de J1 représente un cas simple d’application. Le jeu de données J2 a été acquis avec la vedette hydrographique Louis-Emond-Hamelin (LEH) durant l’école internationale d’été en levés hydrographiques et LiDAR qui s’est déroulée au Département des sciences géomatiques de l’Université Laval en juin 2019. Le site du levé est situé devant la ville de Québec sur le fleuve Saint-Laurent. La zone du levé contient les éléments topographiques nécessaires pour faire un patch test : une pente lisse, un fond plat et une épave jouant le rôle d’un objet caractéristique sur le fond de l’eau. Le sondeur multifaisceau utilisé était un Kongsberg EM 2040C et le système de navigation était un Seapath 330+. Comparativement à J1, le jeu de données J2 a été utilisé afin d’évaluer la méthode avec des pentes plus prononcées, une profondeur plus grande et une densité de points plus faible. Le jeu de données J3 a été acquis par Groupe OCEAN et leur vedette hydrographique le Korok en 2016 dans le cadre d’un projet de fin d’étude du programme de génie géomatique du Département des sciences géomatiques de l’Université Laval. La zone du levé correspond à l’estuaire de la rivière chaudière à Lévis. La topographie représente un canyon de rivière
avec plusieurs pentes couvertes de roches. Pour ce qui est des équipements d’acquisition, le sondeur multifaisecau utilisé était un R2Sonic 2022, la centrale inertielle une SMC et la sonde de célérité une AML. Ce jeu de données a été utilisé afin d’évaluer la méthode dans un contexte beaucoup plus difficile que J1 et J2. En effet, il y a beaucoup de zones très irrégulières, incluant beaucoup de variations locales, rendant la détection des plans plus difficile.
Zone de contrôle J1 Zone de patch test J2 Zone de rivière J3 Type de topographie Fonds plats Fonds plats et
en pentes Fonds rocheuxet en pentes
Aire 53 000 m2 150 000 m2 20 000 m2
Nombre de points 3,98 millions 4,66 millions 8.13 millions Densité moyenne 75 pts/m2 31 pts/m2 407 pts/m2
Profondeur [min - max] [5 - 12] m [3 - 48] m [0 - 13] m TPU horizontale moyenne 1.27 m 1.42 m 1.24 m TPU verticale moyenne 0.19 m 0.30 m 0.29 m
TABLEAU 3.1 – Caractéristiques des trois jeux de données tests
3.1.2 Étapes de validation
Pour valider la méthode, quatre étapes ont été suivies. Premièrement, la phase 1 de la méthode CRAB a été appliquée sur chacun des trois jeux de données pour faire la segmentation des plans approchés. Deuxièmement, des zones tests ont été sélectionnées en utilisant comme guide le raster de géomorphon. L’objectif était de sélectionner au hasard, des zones tests de tailles variables et distribuées partout dans le jeu de données. De plus, chacune des zones tests contient uniquement une seule région plane approchée. Autrement dit, une zone test est un sous-nuage de points contenant des points appartenant à un plan approché et d’autres points n’appartenant à aucun plan. Troisièmement, le plan précis de chaque zone test a été extrait en appliquant la phase 2 de la méthode CRAB. Quatrièmement, des indicateurs de qualité ont été calculés à la fois pour le groupe de points associés au plan approché et ceux associés au plan précis. LaFigure 3.1ci-dessous résume les étapes de la méthode de validation.
Segmenter les plans approchés
des 3 jeux de données
Sélectionner des zones tests
Calculer des estimateurs de
qualité pour chaque zone test
Plan précis
Plan approché
Extraire un plan précis pour
chaque zone test
Figure 3.1 – Étapes de validation de la méthode CRAB 3.1.3 Critères d’évaluation de la méthode
Pour évaluer la méthode CRAB, trois critères d’évaluation ont été définis. Le premier critère d’évaluation est la qualité des plans extraits. Pour l’évaluer, trois indicateurs de qualité ont été calculés. Les deux premiers indicateurs sont l’écart-moyen quadratique (EMQ) de la courbure
κet de la distance orthogonale do. Pour un groupe de points associés à un plan, plus ces EMQ
sont proches de zéros et plus cet ensemble de points s’approche d’une réelle région plane au sens mathématique. EM Qκ = v u u t m X i=1 κ2i (3.1) EM Qdo= v u u t m X do2i (3.2)
Le troisième indicateur est le ratio RP du nombre de points du plan précis Npre sur celui du plan approché Napp. Ce dernier permet de voir l’effet de la croissance de régions entre le plan approché et le plan précis de chaque zone test.
RP [%] = Npre Napp
!
·100 (3.3)
Le deuxième critère est la validation de la méthode de compensation utilisée pour calculer les paramètres de l’équation de plan et leur variance associée. L’indicateur utilisé est le test du facteur de variance a posteriori. Les détails de ce test ont été présentés auchapitre 1. Le troisième critère d’évaluation de la méthode CRAB est l’efficacité. L’indicateur utilisé est le temps de calcul pour les phases 1 et 2 pour chacun des trois jeux de données. Le temps de calcul est exprimé en million de points par seconde (MPts/sec) pour la phase 1 et en dix milles point par seconde (10kPts/sec) pour la phase 2.
Le quatrième critère d’évaluation de CRAB est la robustesse. L’indicateur utilisé est la moyenne des EMQ de la courbure et de la distance orthogonale respectivement EMQκ et
EM Qdo. Ces indicateurs ont été calculés pour le jeu de données J1 brut et J1 nettoyé manuel-
lement. Le nettoyage manuel de J1 a respecté les règles de l’art pour le nettoyage de données bathymétriques. En somme, le Tableau 3.2 résume les critères et les indicateurs de qualité utilisés pour valider les résultats de la méthode CRAB.
Critère d’évaluation Indicateur
Qualité des plans
EM Qde courbure (EMQκ)
EM Qde distance orthogonale (EMQdo)
Rapport de Point (RP )
Compensation des plans Test du facteur de variance a postériori (s2 0)
Efficacité Temps de calcul pour la phase 1 et phase 2 Robustesse EM Qκ et EMQdo de J1 brut
EM Qκ et EMQdo de J1 nettoyé manuellement