QUATRIÈME PARTIE APPROCHE TERRESTRE
IV. 2.3.2.2 Repères fixes
Avec les boules en polystyrène, l’incertitude pour le calcul des coordonnées du centre de chaque repère était importante, même si leur diamètre était suffisant pour son utilisation dans la validation des MNT drone.
L’idée ici est de fournir une ravine avec un système de références fixes ou permanentes qui sert à établir un recalage relative des nuages LiDAR, en éliminant ainsi la nécessité de calculer les coordonnées de ces repères dans un système de projection général géoréférencé. Celle-ci serait une meilleure solution à condition d’avoir une continuité dans la disposition de ces repères.
Le bruit de la mesure LiDAR terrestre doit être moins important que le taux d’érosion annuel moyen dans le paysage à étudier, afin que cette information soit utilisable pour étudier l’évolution fine du changement morphométrique des versants.
Une évaluation de la précision de mesures en relative du LiDAR terrestre a été réalisée. Une série de 8 boules de polystyrène de 12 cm de diamètre ont été placées en maille dans un terrain à côté de la Maison de la Télédétection à Montpellier (Albretch, 2007). Ensuite, les boules ont été scannées depuis quatre emplacements différents à une distance équivalente. En utilisant un scan comme référence, l’EQM de mesure du positionnement des 8 boules pour chaque scan a été calculée (figure IV.22 et tableau IV.3).
Nous pouvons déduire d’après les résultats correspondants au scan 3 que plus dense est le scan, plus haute est la densité d’impacts par sphère, et plus précise est la restitution des formes par ce nuage de points LiDAR (tableau IV.3). L’EQM totale de chaque scan par rapport au scan de référence est la moyenne des EQM de huit boules utilisées dans le calcul des paramètres de la matrice de rotation (transformation d’Helmert).
L’EQM des différents scans par rapport au scan de référence (autour de 5 mm) montre la précision atteignable avec un recalage relatif.
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Figure IV.22 - Emplacement des scans LiDAR terrestre pour l’évaluation de la précision de mesure en relative.
L’incertitude est plus importante dès que l’on utilise un recalage géoréférencé, elle sera de l’ordre de la grandeur de l’incertitude du système de calcul de coordonnées qu’on utilise (autour de 3cm pour un DGPS en mode RTK).
Tableau IV.3 - Moyenne de l’erreur et écart type (ET) des nuages de points LiDAR terrestre sur des tôles de formes géométriques connues, avec filtrage de bruit (unités en mètres).
scan LiDAR densité du scan (points/mm) distance du scan (m) densité moyenne d’impacts par sphère EQM (m) par rapport à la référence 1 / 3,9 - -référence- 1 / 5,3 406 0,0020 1 / 7,9 156 0,0030 scan 3 1 / 9,3 45 129 0,0037 scan 4 1 / 5,3 45 316 0,0046 scan 1 1 / 5,3 40 341 0,0062 scan 2 1 / 5,3 50 206 0,0076 CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
IV.2.4 Synthèse des résultats
IV.2.4.1 Mesure LiDAR terrestre
Nous avons estimé le bruit de la mesure LiDAR terrestre en utilisant des tôles avec des formes géométriques connues (triangulaires et demi-cercle) sensées à représenter des linéaires proches des griffures d’érosion, en couleurs noir et blanc. Les résultats montrent une dispersion de la mesure (écart type du scan) plus importante pour la tôle noire par rapport à la tôle blanche (0,01 et 0,006 m, respectivement), pour une distance de mesure de 30 mètres.
Nous avons testé plusieurs méthodes pour réduire le bruit de la mesure et améliorer la restitution des formes sur les tôles (moyenne glissante directement sur des points scannés, moyenne glissante sur des points préalablement moyennés à un pas régulière fin de 0,25 cm, sur moyenne simple à un pas régulière de 1 cm). Les résultats montrent que l’application d’une moyenne simple à un pas régulier de 1 cm est la plus effective dans la réduction du bruit et elle permet aussi de récréer les formes de plus de 3 cm. Toutefois, pour les formes géométriques plus petites, la dispersion des données est tellement importante qu’il n’est pas possible de les détecter.
Le filtrage du bruit par la moyenne simple à un pas régulier d’un centimètre permettra d’établir un jeu de données topographique suffisamment précis pour le suivi de zones de changements fins dans la morphologie de ravine (spatialisation). Ceci signifierait une perte en détail mais un profit dans la cohérence de l’information.
Globalement, la manipulation sur la teneur en eau n’a pas donné de résultat très clair du point de vue évolution de la mesure LiDAR en marne sèche ou humide. Le bruit de la mesure sur un versant marneux (sèche ou humide) a été estimé en 3 cm, à une distance de mesure de 20 m. On peut cependant rajouter que le changement d’humidité s’accompagne d’un changement de couleur, c'est-à-dire un fort assombrissement des marnes.
Les tests effectués avec les tôles montrent que les zones sombres retournent un signal plus fiable (puissance du signal de retour), ce qui diminue le nombre de points résultant. Ceci implique que des versants éloignées et noirs sont difficiles à scanner par suite d’un signal de retour trop faible.
IV.2.4.2 Géoréférencement
Afin d’établir le calage des scans LiDAR sans repères de terrain (par technique de corrélations), des points scannés ont été sélectionnés sur des zones supposées stables (les crêtes du bassin de La Roubine) en éliminant les zones végétalisées. Le résultat sur le mur du cabanon montre un décalage pratiquement éliminé, en tout cas inclus dans le bruit estimé entre 2 ou 3 cm, pour la distance de mesure (autour de 70 m).
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Cette méthode offre des bonnes possibilités pour valoriser les scans LiDAR terrestre existants à Draix sans repères de terrain. Toutefois, la qualité générale du recalage dépend de la sélection des zones « supposées » stables, et la stabilité des ravines est l’objet à étudier à partir des nuages de points LiDAR diachroniques. Il semblerait plus cohérent avec les objectifs d’utiliser des repères terrain indépendantes à l’objet à étudier.
Nous avons préposé l’utilisation de sphères comme repères de terrain. Dans le cas d’utilisation des données LiDAR terrestre pour la validation des MNT drone, on a mis en place un système de boules amovibles en polystyrène amovibles sur fers à béton. L’EQM obtenue dans le calage des scans LiDAR en utilisant ces repères amovibles est égal à 3 cm (distance de mesure moyenne 70 m). Ce résultat est cohérent avec la précision atteignable avec le système DGPS (mode RTK) utilisé pour le calcul des coordonnés géographiques du centre de chaque sphère. L’incertitude obtenue par cette méthode permet l’utilisation des données LiDAR terrestre dans la validation des MNT drone mais elle est peut être trop élevée pour le suivi diachronique « intra-saisonnier » de l’ablation.
Les magnitudes du bruit de la mesure plus l’incertitude dans le calage des nuages de points LiDAR doivent être inférieures au taux d’érosion annuel moyen dans le paysage à surveiller, afin que cette information soit valable pour l’étude du changement morphométrique des versants.
Un système de repères permanents (sphères en béton) sert à établir un recalage relatif des nuages LiDAR, en éliminant ainsi la nécessité de calculer les coordonnées de ces repères dans un système de projection général géoréférencé. La précision atteignable avec un calage relatif des différents scans LiDAR terrestre par rapport à un scan de référence (EQM) a été estimée en 5 mm approximativement. En utilisant un filtrage de bruit type moyenne simple (pas régulier de 1 cm), plus le système de calage par repères fixes, l’incertitude globale sera inferieure à un centimètre.
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