Géoréférencement et vol

Etant donné la résolution souhaitée et les choix dérivés (vecteur drone avion, appareillage photo numérique « grand public », et hauteur de vol entre 60 et 100 mètres), les activités de préparation de terrain pour les missions drone avion seront lourdes et en même temps déterminantes dans le résultat final à obtenir (qualité du MNT).

La précision requise dans le calcul de la position du capteur à l’instant de la prise de vue pour une utilisation en stéréoscopie drone, pour des altitudes entre 50 et 200 m est estimée de l’ordre de 1 m en planimétrie et en altimétrie. Cette précision n’est pas atteignable par les GPS légers mono fréquence et non différentiels. Pour atteindre cette précision, deux solutions sont possibles par mesure embarquée lors du vol ou par recalage a posteriori à l’aide du repère au sol (mires).

Si la mesure directe de la position du capteur résout théoriquement le problème, en pratique de nombreuses contraintes la rendent difficile. La limite du drone en charge utile est très faible (3 ou 4 kg), empêche de porter un GPS différentiel ou une centrale inertielle précise. Par ailleurs, une telle utilisation pendant la prise de vue pourrait être dangereuse pour le drone car le relief très tourmenté de la zone est difficilement compatible avec le maintien d’une hauteur de vol très basse et constante.

La solution retenue consiste en un guidage du drone de façon manuelle puis une mesure indirecte de la position du capteur effectuée a posteriori à l’aide de mires. Nous indiquerons au paragraphe suivant le mode de calcul de la position du capteur, et précisons ici notre solution d’installation et de répartition des mires dans les images.

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III.1.2.1 Stratégie d’installation des mires

Pour bien calculer la position du capteur on propose d’installer sur le terrain, avant le vol, des mires qui seront visibles sur les photographies aériennes au moment du traitement. Les critères d’installation que nous avons retenus sont : des mires en nombre suffisant (un minimum de 5 mires par zone de recouvrement de chaque stéréo-couple), bien distribuées dans chaque image, d’une taille minimale de 3 fois le pixel prévu pour l’image, et d’un contraste fort avec le contexte. La qualité du positionnement devra être de l’ordre du pixel prévu.

Les contraintes liées au contexte local et aux conditions de vol, nous obligent à modifier les valeurs indiquées ci-dessus. Il faut tenir compte en effet du relief tourmenté qui ne facilite pas la répartition régulière des mires, ainsi que de l’instabilité du vol d’un vecteur léger en guidage manuel qui ne peut pas garantir une trace de vol bien linéaire.

La répartition ne peut pas par conséquent être optimisée a priori. Ceci nous force à augmenter le nombre des mires au sol et nous avons choisi de le doubler, soit 10 mires en moyenne par image, de façon à garantir au final une distribution homogène avec un minimum de 5 ou 6 mires opérationnelles.

En raison du nombre des mires à installer et des conditions de relief tourmenté, le matériel pour construire les mires doit être peu coûteux et facilement transportable. Notre choix s’est porté sur des plaques plastifiées carrées de taille différente et superposées, avec des couleurs vives contrastées.

Une qualité de positionnement requise de quelques centimètres s’impose (celle de GPS différentiel, ou DGPS) pour les mires au sol (ou point de contrôle terrestre, PCT), afin de pouvoir faire un calcul précis a posteriori de la position du vecteur en fonction des éléments de l’image.

III.1.2.2 Stratégie de géoréférencement sur la zone d’étude

Le géoréférencement de la zone d’étude vise plusieurs objectifs : l’un relatif à toutes les études menées par les différents acteurs du GIS-DRAIX, l’autre plus spécifiques au calcul de notre MNT, et également un besoin de repères de terrain positionnés avec grande précision pour la phase de validation (cf. § IV.5). Nous avons retenu une stratégie de géoréférencement hiérarchique pour répondre à tous ces besoins en même temps.

D’une part on va se relier à une référence topographique nationale à l’aide des bornes IGN les plus proches du site. D’autre part on va mettre en place un réseau de bornes permanentes (BP) comme relais local du géoréférencement. On pourra alors repérer tout point sur le terrain (par exemple une mire ou un point de validation), en liaison avec la borne permanente la plus proche. De cette façon on aura un réseau hiérarchisé de bornes (tableau IV.1) qui fait le lien entre le réseau des bornes IGN disponibles dans la région d’étude, et un réseau local de bornes permanentes (BP) à mettre en place (figure IV.1). Une fois calculées les coordonnées des bornes permanentes (BP) en utilisant une borne IGN

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comme base pivot du système DGPS, ces BP pourront être utilisées comme pivot à leur tour pour le levé des PCT ou des points de validation dans le site d’étude.

Le passage des BP aux mires (PCT) ou aux points de validation (PV) pourra être effectué à partir d’appareillages mixtes, par exemple des DGPS et de la topographie classique par tachéomètre. Attention, il est indispensable d’avoir un protocole d’utilisation du système DGPS (modèle de Géoïde, coordonnées du pivot, stratégie de mesure, entre autres), sinon en risque d’obtenir des incohérences entre les différentes campagnes de lever de terrain à réaliser. Un point clef dans la stabilisation et la normalisation des missions DGPS sont les coordonnées de la station choisie comme base ou pivot de chaque mission. Les BP pourront être utilisées aussi comme station de base d’un tachéomètre.

Tableau III.1 - Réseaux hiérarchiques de bornes et points de contrôle terrestre.

nom description type de repère réalisation hiérarchie

IGN borne IGN borne - repère de base

BP Borne permanente permanent ex : plot en béton local, lié à IGN

PCT ou « mires »

mires (image) ou point

de contrôle terrestre semi permanent

ex : carton coloré

ou peinture local, lié à BP

PV point de validation _{repère au sol} points sans _{repère au sol} points sans local, lié à BP

Figure III.1 - Stratégie hiérarchique pour la normalisation du levé terrain : connexion au réseau des bornes IGN, et connexion au réseau des bornes locales.

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Afin de mettre en place une stratégie de surveillance diachronique de l’érosion en montagne au moyen de la stéréophotogrammétrie par images drone, il faudrait installer un réseau des mires semi permanentes sur des emplacements stables et bien distribuées spatialement.

III.1.2.3 Les vols

Les vols doivent être à basse altitude, afin de garantir une résolution adéquate aux besoins de détail dans l’image drone. Les conditions générales pour la restitution du relief à partir d’un couple stéréoscopique drone avion pris à faible hauteur sont loin d’être idéales (acquisition d’images et relief). Les conditions d’acquisition d’images avec un vecteur aérien instable volant à basse altitude et un appareil photo non métrique produisent de fortes incertitudes dans l’estimation des paramètres d’orientations interne et externe.

Les conditions météorologiques en montagnes n’améliorent pas la performance du drone, car les rafales de vent empêchent le vecteur de réaliser un vol bien aligné. Le relief très accidenté à Draix (versants pentus et ravines profondes) ne favorise pas la technique de stéréo restitution.

Concernant le rapport B/h pour la mission drone, une valeur proche de 1 est généralement préconisée pour une stéréoscopie « optimale » (Krauss & Waldhäusl, 1998). Néanmoins, dans le cas de zones très tourmentées comme le site d’étude où les pentes des versants analysés sont excessivement fortes, les lignes d’incidence de la prise de vue doivent être nettement plus verticales pour éviter des parties cachées (figure I15). Dans ces conditions nous avons cherché un rapport B/h plus petit (de l’ordre de 0,2 à 0,3), ce qui permet un bon compromis entre altitude, distance focale, et recouvrement entre clichés dans un relief aussi tourmenté que les ravines profondes de Draix.