Présentation de l'orthocartographie

Disponible avec une licence Advanced.

Aperçu

La photogrammétrie est la science qui permet d'obtenir des mesures fiables à partir de photographies et d'images numériques. La sortie du traitement photogrammétrique correspond souvent à des cartes d’orthomosaïque, des cartes symboliques, des couches SIG ou des modèles en trois dimensions (3D) d’objets ou de scènes du monde réel. Il existe deux types généraux de photogrammétrie : la photogrammétrie aérienne et la photogrammétrie de courte distance.

Dans la photogrammétrie aérienne, le capteur est embarqué dans un satellite, un avion sans pilote ou un drone et est généralement pointé verticalement vers le sol. Lorsque le capteur est pointé directement vers le bas, on parle d'images verticales ou nadirales. Plusieurs images superposées (appelées images stéréo) sont collectées tout au long du parcours de vol du capteur. L’imagerie est traitée pour produire des données d’altitude numériques et des orthomosaïques. Les images possèdent une géométrie de perspective qui provoque des distorsions propres à chaque image. Les orthoimages ont été corrigées géométriquement afin que l’image obtenue possède l’intégrité géométrique d’une carte. Les orthomosaïques sont des orthoimages qui ont été mosaïquées en une seule image. D'autres produits peuvent être obtenus, tels que des couches SIG vectorielles avec des entités, comme des routes, des bâtiments, des entités hydrologiques et d'autres entités terrestres. Ces couches sont générées en utilisant des orthoimages comme arrière-plan ou à partir de la compilation d’images stéréo dans ArcGIS Pro.

Dans la photogrammétrie de courte distance, le capteur est souvent proche de l'objet présentant un intérêt. Il ne s'agit généralement pas d'une approche nadirale, mais plutôt d'une vision horizontale, oblique ou même vers le haut dans le cas de la cartographie d'une structure de pont. Ces images étant modélisées mathématiquement de manière légèrement différente, il est important de les distinguer de la photogrammétrie aérienne. Les produits sont similaires à ceux de la photogrammétrie aérienne, tels que les modèles 3D, les dessins d’ingénierie et les orthoimages, mais au lieu de cartographier des entités MNT et de paysage, les entités tendent à représenter d’autres aspects de la surface, par exemple des bâtiments, des structures d’ingénierie ou des tours de transmission et des antennes relais.

Les outils et fonctionnalités fournis dans la suite Esri de fonctions d’orthocartographie se concentrent sur les produits de photogrammétrie aérienne pour prendre en charge la génération et la révision de cartes, la détection de changement et d’autres applications d’extraction d’entités. Ces outils permettent aux utilisateurs d’utiliser et de traiter leurs images aériennes, satellite ou issues de drones pour générer différents produits octorectifiés.

Ortho-imagerie

L'orthorectification est un processus qui corrige un grand nombre d’artefacts associés aux images télédétectées afin de produire une orthoimage de précision cartographique. Les orthoimages peuvent ensuite subir un ajustement de segment et un équilibrage des couleurs pour produire une orthomosaïque homogène. Cette orthomosaïque respecte une précision d’échelle de la carte donnée et peut servir à effectuer des mesures, ainsi qu’à générer et mettre à jour des couches de classe d’entités SIG. Pour ce faire, vous avez besoin d'images avec des positions de capteurs et des attitudes connues, d'un modèle géométrique calibré pour le capteur, ainsi que d'un modèle numérique de terrain (MNT).

Il peut arriver que les positions et l’orientation connues soient indiquées sur les images lorsqu'elles sont fournies à l'utilisateur. Dans le cas contraire, les images doivent être ajustées au canevas géodésique. Le processus d'ajustement fait appel au calibrage du capteur, aux informations d'orientation du capteur, aux points de contrôle au sol, aux points de rattachement et à un DTM pour produire les attitudes et positions précises. Ceci permet ensuite de générer des orthoimages de précision cartographique.

Données d'altitude

Si un modèle numérique de terrain (MNT) approprié existe, il est utilisé dans le processus d’orthorectification. Sinon, les jeux de données d'altitude, tels que les modèles numériques de terrain (DSM) et les DTM, doivent être déduits des images stéréo. Les images stéréo sont issues de deux images ou plus de la même entité au sol collectée à partir de différentes positions de géolocalisation. Les images superposées sont collectées à partir de différents points de vue. Cette zone superposée est désignée sous le nom d'images stéréo et convient pour générer des jeux de données d'altitude numériques. Le modèle de génération de ces jeux de données 3D nécessite une collection de plusieurs images superposées sans interruption dans les informations de superposition, de calibrage du capteur et d'orientation, ainsi que des points de contrôle au sol et de rattachement. Les jeux de données 3D sont ensuite créés automatiquement à l’aide d’un processus nommé appariement d’images, où les images superposées sont corrélées de manière croisée pour générer des nuages de points 3D définis par la géolocalisation (latitude, longitude) et l’altitude.

Nécessité de l'orthocartographie

L'orthorectification se rapporte à la suppression des imprécisions géométriques induites par la plateforme, le capteur et particulièrement le déplacement de MNT. La cartographie se rapporte à l'ajustement des bords, la génération de légendes et l'équilibrage des couleurs de plusieurs images en vue de produire un jeu de données d'orthomosaïque. Ces processus combinés sont désignés sous le nom d'orthocartographie.

Les images aériennes numériques, les images de drone, les photographies aériennes numérisées et les images satellites jouent un rôle important dans la cartographie générale et dans la génération et la visualisation des données SIG. En fait, les informations contenues dans la plupart des cartes et des couches SIG ont été générées à partir d'images. D'abord, les images servent d'arrière-plan et offrent aux couches SIG un contexte important à partir duquel établir des associations géospatiales. Ensuite, les images permettent de créer ou de réviser des cartes et des couches SIG en numérisant et en attribuant des entités d'intérêt, telles que des routes, des bâtiments, des entités hydrologiques et la végétation.

Pour que ces informations géospatiales puissent être numérisées à partir des images, les différents types d'erreur et de distorsion qu'elles contiennent, et qui sont inhérents au mode de collecte des images, doivent être corrigés. Deux principaux types de distorsion affectent les images télédétectées :

• Distorsion radiométrique : conversion inexacte des valeurs de réflectance au sol en valeurs de gris ou en nombres numériques (DN) sur l’image. L’erreur radiométrique est causée par l’azimut du soleil et l’altitude, les conditions atmosphériques et les limites du capteur.
• Distorsion géométrique : conversion inexacte de l’échelle et de l’emplacement sur l’image. L’erreur géométrique est causée par le déplacement du relief, la courbure de la Terre, les projections de perspective et l’instrumentation.

Chacun de ces types d’imprécisions est supprimé au cours du processus d’orthorectification et de cartographie. Pour obtenir la liste des types courants d’imprécisions des images, reportez-vous à la table ci-dessous. Une fois les distorsions qui affectent les images supprimées et les images ou scènes individuelles mosaïquées pour produire une orthomosaïque, elle peut être utilisée comme une carte symbolique ou thématique afin d’effectuer des mesures d’angles ou de distances précises. L’avantage de l’orthoimage est qu’elle contient toutes les informations visibles dans les images, et pas seulement les entités et les couches SIG extraites de l’image et symbolisées sur une carte. Par exemple, une route symbolisée sur une carte possède une largeur uniforme, tandis qu’une route sur l’orthoimage possède une largeur variables et des accotements qui permettent aux véhicules d’urgence de circuler malgré les embouteillages ou de stocker du matériel et des équipements de construction.

Processus d'orthorectification

L’un des produits les plus importants générés par le processus photogrammétrique est une collection orthorectifiée d'images, appelée mosaïque d’orthoimages ou simplement orthomosaïque. La génération de l’orthoimage implique la déformation de l’image source afin que la distance et la surface soient uniformes par rapport aux mesures réelles. Pour ce faire, la relation des coordonnées d’image x,y par rapport au point de contrôle au sol réel doit être établie en vue de déterminer l’algorithme de rééchantillonnage de l’image. De même, la relation mathématique entre les coordonnées terrestres représentées par un MNT et l’image est calculée et utilisée pour déterminer la position appropriée de chaque pixel dans l’image source.

Ainsi, les entités mesurées dans les orthoimages correspondent à la mesure, à l'échelle et à l'angle des mêmes entités au sol, qu'elles se trouvent sur un terrain escarpé ou au niveau du sol. La précision obtenue de l'orthoimage repose sur la précision de la triangulation, l’angle de collecte de l’image décalé du nadir, la résolution de l'image source et la précision du modèle d'altitude.

Plusieurs éléments sont requis pour produire une orthoimage ou une orthomosaïque à partir d’images brutes :

• Images numériques : elles peuvent prendre la forme d’une image aéroportée numérique, d’une image numérisée ou d’images satellite.
• Fichier de calibrage de la caméra : il inclut les mesures des caractéristiques du capteur, telles que la distance focale, la taille et la forme du plan des images, la taille de pixel et les paramètres de distorsion de l’objectif. En photogrammétrie, la mesure de ces paramètres se nomme l'orientation intérieure. Ils sont encapsulés dans un fichier de modèle de caméra. Les caméras de cartographie aérienne haute précision sont analysées pour fournir des informations sur le calibrage de caméra dans un rapport utilisé pour calculer un modèle de caméra. D'autres caméras grand public sont calibrées par les personnes qui les utilisent. Elles peuvent également être calibrées au cours des processus d'ajustement lors de l'orthorectification.
• Coefficients polynomiaux rationnels (RPC) : communiqués par les fournisseurs d’images satellite. Les RPC sont calculés pour chaque image satellite et décrivent la transformation des coordonnées de surface terrestre 3D en coordonnées d’image 2D dans un modèle de capteur mathématique, exprimée sous forme du ratio de deux expressions polynomiales cubiques. Les coefficients de ces deux expressions polynomiales rationnelles sont calculés par la société du satellite à partir de l'orientation et de la position orbitales du satellite et du modèle rigoureux de capteur physique. Grâce aux RPC, il n'est plus nécessaire de mettre en place un modèle rigoureux de caméra. Ils sont souvent désignés comme des modèles de capteur de remplacement si les matrices de covariance d'erreurs sont incluses.
• Points d’ajustement : ils se composent de points de contrôle au sol, de points de rattachement d’images et de points de vérification.
  • Les points de contrôle au sol proviennent généralement d’un emplacement d’arpentage au sol et de mesures. Des points de contrôle secondaires peuvent également provenir d’une carte ou d’une orthoimage existante avec une précision connue, tant que la précision connue dépasse la précision attendue par un facteur linéaire de trois ou cinq fois. Ces points au sol doivent être visibles dans les images.
  • Les points de rattachement d’images sont générés dans les zones de superposition entre les images adjacentes qui composent la mosaïque. Ces points servent à relier ensemble toutes les images composant la mosaïque d’orthoimages. Ils sont généralement calculés automatiquement à l’aide de techniques d’appariement d’images dans la zone de superposition.
  • Les points de contrôle sont utilisés pour évaluer la précision du processus d’orthorectification. Il s’agit de points d’arpentage de contrôle au sol qui ne sont pas utilisés dans le calcul de l’ajustement photogrammétrique.

Les informations ci-dessus permettent de calculer l’orientation d’une image requise pour produire un MNE et une mosaïque d’images orthorectifiées à partir de l’imagerie. Les paramètres d’orientation de l’image dérivée incluent la position du capteur au moment de la capture d’image dans des coordonnées comme la latitude, la longitude et la hauteur (x, y, z). L'altitude du capteur est exprimée en tant que valeurs omega, phi et kappa (tangage, roulis, en-tête).

Génération de l'orthomosaïque

Le processus général permettant de générer une orthomosaïque est décrit dans cette section. ArcGIS Pro offre des outils, des fonctions et des processus guidés permettant d’étudier la création de produits MNE et d’ortho-images. Des détails spécifiques expliquant comment créer une orthomosaïque à l’aide des outils et assistants Ortho Mapping (Orthocartographie) sont décrits de manière complète dans la rubrique Orthocartographie dans ArcGIS Pro.

Orientation de l'image

L'orientation de l'image est un prérequis pour générer des MNT et l'orthoimagerie. Ce processus permet de déterminer la position spatiale et l’orientation du capteur lors de la capture de chaque image. La hauteur du capteur au-dessus du sol permet de calculer les régions de superposition des images adjacentes, puis d’activer la génération des points de rattachement. La génération des points de rattachement place toutes les images correctement dans un bloc contigu. Elle utilise l’orientation intérieure en fonction de l’orientation extérieure et des caractéristiques physiques du capteur par rapport au contrôle au sol et aux points de rattachement entre les images.

La collecte de points de rattachement entre plusieurs images superposées peut être fastidieuse et longue. L'outil Calculer les points de rattachement identifie automatiquement les points coïncidents dans les zones de superposition entre les images à l'aide de techniques de corrélation croisée. Ces points de rattachement sont utilisés avec des points de contrôle au sol, qui sont également visibles dans plusieurs images, pour calculer l'orientation extérieure de chaque image composant la mosaïque. Cela signifie que le canevas géodésique doit être identifiable par photo (ou visible) sur les images. Les points de contrôle au sol généralement identifiables par photo sont des entités permanentes et facilement identifiables. Il peut s'agir de cibles représentées sur une autoroute ou du centre de deux rues qui se coupent.

Ajustement de bloc

A l'aide des informations concernant les points de rattachement et le canevas géodésique, un ajustement de groupe calcule l'orientation extérieure de chaque image, afin que les images soient cohérentes avec les images voisines. L'orientation du bloc entier d'images est ensuite ajustée pour s'adapter au sol. Cet ajustement de bloc produit la meilleure adéquation statistique entre les images, pour l’intégralité du bloc contigu, en réduisant les erreurs avec les points de rattachement et le contrôle au sol. La transformation ajustée de chaque image composant le bloc est enregistrée dans la table des solutions et stockée dans l’espace de travail de l’orthomosaïque.

Assurance qualité et contrôle qualité

Lorsque le bloc d'images est ajusté pour s'adapter au sol, l'erreur apparente des points ajustés est présentée dans une table d'erreurs résiduelles. Les erreurs sont facilement identifiées et les points avec un taux d’erreur résiduelle élevé sont supprimés ou le plus souvent repositionnés manuellement. L’ajustement est recalculé jusqu’à ce que l’erreur globale et l’erreur résiduelle de chaque point soient acceptables.

Génération du MNT

Lorsque l’orientation de l’ajustement de blocs est terminée, il est possible de produire un jeu de données d’altitude à l’aide de l’assistant DEM (MNE). Un nuage de points photogrammétriques est créé pour produire le MNE en s’appuyant sur des techniques de corrélation croisée des images. Le MNE est alors employé dans le cadre du processus d’orthorectification de l’image pour éliminer les distorsions de relief et produire une orthomosaïque.

Vous pouvez produire deux types de MNE :

• MNT : altitude numérique de la Terre ne prenant pas en compte l’altitude des objets placés dessus. Ce format est également désigné par altitude de terre nue. Le jeu de données DTM terre nue est utilisé pour produire l’orthoimage et les orthomosaïques.
• MNS : altitude numérique de la Terre comprenant l’altitude des objets qui figurent dessus, tels que les arbres et les bâtiments. Le MNS est un jeu de données analytique précieux utilisé pour classer les entités en orthoimages (par exemple, pour distinguer les trottoirs des toitures en bardeaux d’asphalte). Ce modèle ne doit pas être utilisé pour l’orthorectification d’images, sauf si les images sources ont une direction nadirale sans inclinaison des bâtiments ou des entités, pour produire des orthoimages fiables.

Remarque :

Si une surface forestière est fortement boisée ou porte une autre couverture végétale dense, il ne sera pas possible de déduire la surface au sol du MNT, le sol n’étant pas visible. Le produit de surface d’altitude le plus approprié pour une occupation du sol forestière dense est un MNS, qui crée spécifiquement une surface représentant la partie supérieure de la canopée.

L’assistant DEM (MNE) permet de définir différents paramètres afin de générer le nuage de points d’altitude et le MNE. Le MNT est alors employé dans le cadre du processus d’orthorectification de l’image pour éliminer les distorsions de relief et produire une orthomosaïque.

Orthorectification d'images

Une image orthorectifiée a une échelle constante de sorte que les entités sont représentées dans leurs positions réelles par rapport à leur position au sol. Ceci permet de mesurer précisément les distances, les angles et les surfaces de l'orthoimage.

Pour obtenir l’orthorectification, la relation des coordonnées d’image x,y par rapport au point de contrôle au sol réel doit être établie en vue de déterminer l’algorithme de rééchantillonnage de l’image. De même, la relation mathématique entre les coordonnées terrestres représentées par le modèle numérique de terrain et l’image est calculée et utilisée pour déterminer la position appropriée de chaque pixel dans l’image source.

L’orthomosaïque est produite à l’aide de l’assistant Orthomosaic (Orthomosaïque). Les entrées incluent les éléments ajustés par blocs composant la collection d’images et le MNT. Un MNE terre nue existant peut alors être utilisé. L’assistant Orthomosaïque permet de définir les paramètres du mosaïquage de vos orthoimages tels que l’échelle et le format de données, la génération des lignes de raccord et l’équilibrage des couleurs entre les images orthorectifiées afin de créer une orthomosaïque continue.

Remarque :

Les images satellite nadirales haute résolution ne sont pas très affectées par la distorsion inhérente aux images aériennes en raison de la distance importante entre le capteur et le sol, de la grande distance focale du capteur (de l’ordre de 10 mètres) et du champ de visibilité restreint. Ces facteurs, alliés aux informations d’orientation précises sous forme de coefficients polynomiaux rationnels, entraînent la condition selon laquelle la précision MNT et les enregistrements denses sont moins importants dans la génération d’orthoimages précises, tant que l’orientation extérieure ajustée et les points de contrôle sont appropriés. Ainsi, l’étape de génération des MNE est souvent inutilisée et les services World Elevation d'Esri (ou les MNE NED de l’USGS ou les MNE SRTM existants), alliés à des points de contrôle au sol précis, peuvent produire des orthoimages de classe I ou de classe II à une échelle de 1:5 000 ou inférieure.

Si la collection décalée du nadir est volumineuse ou que la distance focale est courte, un MNE de résolution supérieure, plus précis, est requis pour une orthorectification précise.

Artefacts des images

Les types d’artefacts qui affectent les images télédétectées, et qui sont abordés dans le processus d’orthorectification, sont brièvement décrits dans la table ci-dessous.

Distorsion de perspective	La distorsion de perspective est affectée par l'angle de visée d'obliquité et de distance entre le capteur et la cible terrestre, ainsi que par les caractéristiques du capteur. Les courtes distances focales des capteurs aéroportés présentent une distorsion de perspective plus importante que les longues distances focales des capteurs satellitaires. La perspective d’affichage montre les côtés des bâtiments qui font face au capteur et masquent les côtés arrière des bâtiments. En outre, dans les images en perspective, l'échelle de l'image se réduit à mesure que vous vous éloignez du point nadiral. En d'autres termes, la distance de référence au sol est inférieure vers le point nadiral de l'image et supérieure vers l'extrémité de l'image. Les pixels sont de forme trapézoïdale.
Champ de visibilité	Le champ de visibilité est l'étendue angulaire qui est visible par le capteur au cours de l'exposition. Il est déterminé par la taille du capteur, la distance focale et l'altitude. La distance focale est la distance effective entre le point nodal arrière de l'objectif et le plan focal. Elle détermine la géométrie de perspective de l'image. Plus la distance focale est courte, plus la distorsion de perspective introduite est importante et plus le champ de visibilité est large.
Distorsion de l'objectif	L'objectif n'effectue qu'une approximation de la géométrie de perspective. Par conséquent, il déforme la position et la forme des objets représentés sur le plan focal. Radiométriquement, ils font également varier la quantité de lumière qui atteint le plan focal. Les deux types de distorsion augmentent sous forme de fonction de la distance à partir du centre de l'image. Ces effets sont réduits au centre et augmentent vers le bord de l'image.
Courbure de la Terre	La distorsion induite par la courbure de la Terre prédomine principalement dans les images qui couvrent de vastes étendues de la Terre ou qui observent des angles obliques depuis une altitude élevée. Elle affecte généralement les images aériennes collectées avec une courte distance focale, à une altitude élevée, avec un large champ de visibilité, ou des images satellite en bandes ou blocs.
Déplacement du relief	Le déplacement du relief est provoqué par une altitude variable au-dessus ou au-dessous d'une référence donnée, ce qui entraîne un décalage de la position apparente de l'objet dans l’image. Cette variation topographique, alliée à l’orientation d’affichage et au champ de vision du capteur, affecte la distance et l'échelle avec lesquelles les entités apparaissent sur les images.
Déplacement radial	Par exemple, dans les images verticales, les objets d'une certaine hauteur (par exemple, les tours de radio) semblent se pencher en partant du centre (point nadiral) des images. Comme la partie supérieure de la tour ne se situe pas sous la partie inférieure de la tour dans les images, l'effet est désigné sous le nom de déplacement du relief.
Numérisation	Lorsque vous numérisez des photographies aériennes, des distorsions sont d'abord introduites dans le traitement et le stockage des films. D'autres distorsions peuvent ensuite être introduites au cours de la numérisation en raison de l'objectif ou d'un autre instrument de numérisation. Ces erreurs doivent être largement compensées au cours du processus d'orthorectification.