Mise en forme des données LiDAR

Les données étudiées correspondent au premier écho reçu par le signal rétrodiffusé. Pour les surfaces côtières, comme le sable, le premier écho correspond au sol alors que pour des zones forestières, il correspond à la canopée. Avant de valider les données, il faut au préalable les filtrer. Cette opération consiste à éliminer les points vraisemblablement faux en fonction de critères de tri tels que des valeurs en z extrêmes ou l’identification de points isolés.

III.1.1. Rastérisation des données

Afin d’étudier les données acquises par le système LiDAR LEICA ALS60, les nuages de point sont convertis en grille 2D d’espacements identiques. La matrice est construite avec une résolution de pixel égale à un mètre, il s’agit de la distance maximale entre deux points dans une ligne de vol donnée (Garestier et al., 2011). La plupart des pixels comprennent plusieurs points, afin de créer une image rastérisée, ceux-ci sont moyennés. Au contraire, certains pixels ne contiennent aucune donnée. Dans ce cas, il a été choisi de ne pas interpoler la grille afin de ne pas créer d’informations (Figure III.1). Les dimensions de la matrice sont déterminées grâce aux positionnements x et y des points. En utilisant l’information de l’altitude (z), il est ainsi possible de créer le modèle numérique de terrain (MNT) de la zone étudiée (Figure III.4.B).

Figure III.1 : Rastérisation d’un nuage de points

Le système LiDAR LEICA ALS60 utilise un contrôle de gain automatique. Comme cela a été vu précédemment (cf. chapitre I.2.2.d), le gain permet d’obtenir des retours de signal même pour des surfaces de faible réflectivité mais, il modifie la valeur de l’intensité enregistrée

III.1. Mise en forme des données LiDAR

77 (Vain et al., 2010). Il est donc nécessaire de normaliser les données d’intensité afin qu’elles soient uniquement affectées par les caractéristiques de la cible (Figure III.4.A).

III.1.2. Calcul de l’angle d’incidence

L’angle d’incidence est défini comme étant l’angle séparant le faisceau d’incidence et la normale à la surface (Figure III.2). Le faisceau du laser est émis perpendiculairement à la direction de vol de l’avion, c’est-à-dire dans le plan yOz, avec un angle correspondant à l’angle de scan (αs). Il est donc possible de connaitre la direction du faisceau (L).

Figure III.2 : Représentation 3D de l'angle d'incidence

Pour déterminer la normale à la surface (N), il est nécessaire de connaitre les pentes dans les directions ux (px) et uy (py). Le vecteur de la normale à la surface est défini par le produit vectoriel des pentes p_x et p_y.

(III.1)

Grâce au produit vectoriel entre les vecteurs L et N, il est possible de déterminer l’angle d’incidence (αi=(L,N)).

Chapitre III - Modélisation de l’intensité en fonction de l’angle d’incidence

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L’angle d’incidence est calculé ainsi pour chaque valeur de pixel. Ainsi, il est nécessaire de connaitre pour chacun d’entre eux les vecteurs L et N.

Pour déterminer le vecteur L, une matrice d’angle de scan (Figure III.4.C), qui a les mêmes caractéristiques que la matrice d’intensité et le MNT, est créée.

La seconde étape consiste à calculer le vecteur normal (N) à la surface. Pour cela, il faut au préalable déterminer les vecteurs des pentes px et py pour chaque maille. Pour calculer les pentes dans les directions ux et uy, les cellules voisines sont utilisées (Figure III.3). De ce fait, lors du calcul des pentes, les valeurs des colonnes et des lignes extrêmes ne peuvent être calculées.

Suite à ces différents calculs, la matrice de l’angle d’incidence est créée (Figure III.4.D). Au nadir, sur un terrain plat, l’angle d’incidence est nul. Théoriquement, les valeurs d’angle d’incidence sont comprises entre 0° et 90°. Pour les zones étudiées ayant une topographie peu marquée, comme l’angle de scan est inférieur à 20° en valeur absolue, l’angle d’incidence est, par conséquent, inférieur à 20°. Pour chaque carte d’intensité, une image d’angles d’incidence correspondante est obtenue.

III.1. Mise en forme des données LiDAR

79 Figure III.4 : Création d’une carte d’intensité (A), d’un MNT (B), d‘une matrice d’angles de scan (C),

d’une matrice d’angles d’incidence (D) et de l’orthophotographie (E) à partir de données acquises lors d’un vol réalisé à la pointe d’Agon le 11 Mai 2012

Chapitre III - Modélisation de l’intensité en fonction de l’angle d’incidence

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III.1.3. Orthophotographie

Lors de l’acquisition des données LiDAR, un appareil photo est ajouté au système LiDAR afin d’avoir, en plus des données altimétriques et d’intensité, des images numériques de haute qualité. Lors de la réalisation du plan de vol, les photographies sont planifiées afin d’ajuster les recouvrements entre celles-ci. Les minimums de recouvrement imposés pour les images sont de 60 % entre deux photos d’une même radiale et 17 % entre deux radiales. Pendant le vol, le système LiDAR envoie un signal pour déclencher l’appareil photo et pour déterminer le temps GPS de prise de la photo, la caméra renvoie un signal au milieu de l’exposition de la photo. La fréquence des prises de vue varie donc en fonction de l’altitude, mais aussi de la vitesse de l’avion ; elle est d’environ 4 s à 800 m d’altitude et de 8 s à 1500 m. L’appareil photo utilisé est un Hasselblad 22M ayant une résolution de 22 Mpix (4080 x 5440). Deux disques durs y sont associés permettant d’enregistrer 850 images sur chacun.

Après avoir acquis ces photographies aériennes, la première étape du traitement, pour réaliser une mosaïque d’images, consiste en une importation globale des différentes photos. Ces dernières sont positionnées approximativement grâce aux trajectoires au sol et à un fichier répertoriant le numéro de la photo et le temps GPS du déclenchement de la photo. Ensuite, il est nécessaire de corriger les couleurs des différentes photos pour avoir une mosaïque finale homogène. Afin d’affiner la rectification des images, une recherche manuelle d’au moins quatre points de liaison (tie points) par photo est indispensable pour la coregistration. Ces quatre points permettent de lancer une recherche automatique afin d’avoir beaucoup plus de points de liaison dans le but d’améliorer les résultats de l’aérotriangulation. Ce dernier est un processus mathématique permettant de déterminer la position et l’orientation d’une image au moment de l’exposition. L’objectif de la dernière étape est de découper au meilleur endroit les tuiles afin d’obtenir une mosaïque cohérente. Pour ce faire, il faut absolument éviter de faire la découpe au niveau de points qui sont élevés altimétriquement en relatif (arbres, toits, voitures…).

Il est important de noter que la détermination de ces points de liaison est beaucoup plus difficile dans une zone homogène, comme les étendues de sable et la mer, que pour des endroits très hétérogènes tels que les zones urbaines. L’assemblage des orthophotographies permet de créer une mosaïque de la zone survolée (Figure III.5). La résolution de ces mosaïques dépend notamment de l’altitude de vol. A 800m, le côté d’un pixel correspond à une distance de 14 cm. L’apport de la mosaïque d’images est essentiel pour délimiter des