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Introduction à la photogrammétrie Définition Applications Méthodes Prise de vue aérienne Analogique et analytique Numérique MNT Orthos DIAS.

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1 Introduction à la photogrammétrie Définition Applications Méthodes Prise de vue aérienne Analogique et analytique Numérique MNT Orthos DIAS

2 Définition Photogrammétrie = photo + gram + métrie Tout ce qui a un lien géométrique avec dessin et mesures dans les images, sur ligne, colonnes, radiométrie = localiser et restituer géométriquement de façon précise des objets à partir dimages Nota : tous les objets ne sont pas susceptibles d être décrits géométriquement. Technique sœur : Télédétection DIAS

3 Applications Cartographie Levés industriels et cadastraux Hydrographie Etude d impact et suivi de chantier Urbanisme Suivi environnemental Agriculture Défense Relevé médical Etc… DIAS

4 Obtention des images satellites surtout en télédétection pour interpréter (Photo-interprétation) avions surtout pour cartographie et plans (Restitution, photo-identification) Au sol Architecture, milieu industriel, etc … DIAS

5 Quelques exemples DIAS

6 Complémentarité techniques aériennes DIAS Photos en STEREO avec options GPS et scanner-laser 3D Points dappui « terrain » Plusieurs points de vues dans le sens du vol

7 Complémentarité techniques terrestres DIAS Points dappuis topo images Scanner-laser 3D

8 Les images film : support photographique, négatif ou positif numérisée : depuis un film avec un scanner numérique : depuis un capteur numérique (caméra ou barrette) mais aussi lasergrammétrie, radargrammétrie … Nota : Usages photogrammétriques film sur appareils analogiques et analytiques Image scannée ou numérique sur des stations numériques DIAS

9 Géométrie de base Echelle moyenne p H a b A B DIAS

10 Variation d échelle en fonction de l altitude L échelle locale sur le cliché est proportionnelle à la dénivelée Z DIAS D E p de S z H H-Z Déformations dans les images

11 Géométrie objet <> image DIAS … Donc on ne pourra pas utiliser une seule image pour retrouver la 3D Un objet 3D génère une image 2D > Mais limage 2D ne restitue que des directions dans lespace >

12 Pour retrouver la 3D : Faire intersecter deux rayons point par point : Deux images ayant reçu chacune 1 rayon lumineux provenant du même détail au sol permettront de retrouver sa position DIAS Base

13 Acquisition 3D de linformation géographique Les images satellitaires et aériennes La caméra La photographie DIAS

14 Domaines spatial - aérien Avions 12km Terre 3 km Satellites 800 km 400 km DIAS

15 Complémentarité spatial - aérien chaque type de capteur sera fonction des applications Programmation facile Contraintes météo (couvert nuageux) Résolution adaptable Stéréoscopie inhérente Capteurs satellitaires Capteurs aériens Orbite fixe Disponibilité, Résolution fixe Côut fixe/scène DIAS

16 Les images satellitaires Satellites traditionnels –LANDSAT, SPOT, IRS, JERS, SPIN-2/TERRA-SERVER Satellites plus récents –IKONOS 2, QUICKBIRD2 DIAS

17 Multispectral, avec la meilleure résolution en mode panchromatique (gris), Numériques (anciens satellites russes avec films) Adaptées à la cartographie générale (courbure terrestre et projection cartographique directement prises en compte) Peu adaptées à la stéréoscopie DIAS Elles sont :

18 Traitements d images spectrals –Analyses en composantes principales –Indices (NDVI, rapport de bandes) radiométriques –Etalement d histogramme –Egalisation d histogramme –Réduction du bruit géométriques –Filtrage –Fusion multi-capteurs DIAS

19 Les images aériennes Principe = photographies à axe vertical –Images à peu près parallèles au sol –Options radiométriques : noir et blanc – couleur - infrarouge DIAS

20 caméras numériques aériennes Capteurs à matrice –en N&B, RVB, IR Capteurs à barrettes –Multispectral DIAS ign Leica zii

21 Source : Leica 2 géométries de prises de vues DIAS Barrettes Matrices Fauchée 2.4 km Pixel sur le CCD 6.5 x 6.5 m Taille image 228 mm x 228 mm Emprise 2.4 km x 2.4 km Distance focale 153 mm Angle de champ sur la trace 64° Angle de champ perspectif 90° Pixel sol 20x20cm Taille de léchantillon au sol : GSD 20 cm Echelle photographie 1 : 10500

22 Mise en oeuvre Barettes : 3 nappes Vue devant Vue nadirale Vue arrière Matrices : 2 images Zone commune DIAS

23 La caméra matricielle Elle comprend un boitier qui relie –L'objectif –Le fond de chambre (comportant des repères dans le cas de films) Elle sera dite parfaite si le point principal coïncide avec le centre du cliché l'axe optique est perpendiculaire au fond de chambre l'objectif peut être assimilé à un système optique centré DIAS Elle pourra être définie par : Taille image et repères de fond de chambre Distance f et orientation objectif-image Déformations dues à lobjectif (distorsion) f

24 Objet-image, via la caméra DIAS image positive f (distance focale) image rayon lumineux objet terrain Image négative objectif

25 Cas des CCD et films Les images enregistrées sur matrices CCD sont indéformables, mais les films sensibles à lenvironnement fluctuent géométriquement. Ils seront munis de « marques de fond de chambre » qui permettront de rectifier leur géométrie par rapport à un fichier détalonnage lors de leur utilisation. Le modèle général de rectification utilisé est une AFFINITE pouvant inclure : DIAS x Tx k.cos a -k.sin a x y Ty k.sin a k.cos a y = + x x = ax + by + c y = dx + ey + f exprimé par Deux facteurs déchelle en x et y Deux translations en x et y Deux rotations des axes x et y Film déformé Film rectifié affinité Fichier détalonnage +

26 Utiliser en 3D une image 2D Il faudra connaître pour la caméra : –sa géométrie interne : image, objectif, défauts –son géoréférencement externe : position et l orientation dans le référentiel de travail DIAS Référentiel de travail (carto) Système caméra

27 Reconstitution du faisceau DIAS x y m x,y ou c,l Marque de fond de fond de chambre (Fr) fiducial marks (GB) C (colonnes) (Lignes) l C = barycentre des marques de fond de chambre O = Origine de comptage des pixels On repart des coordonnées images : X, y ou c,l seront mesurables dans un référentiel image

28 La géométrie du faisceau objet peut être retrouvée sur limage à partir de C et dépend de : –la distance principale p –la position du point d'autocollimation PPA –la position du point principal de symétrie PPS –une loi de distorsion de lobjectif (on obtient m au lieu de m) via la géométrie interne de la caméra DIAS m PPS PPA p N N 8 m diaphragme Objectif Axe optique C NB : N et N = points principaux, et nodaux Faisceau objet Faisceau image Plan image vers M

29 pour obtenir les coordonnées faisceau DIAS Pour passer des coordonnées images 2D à des coordonnées faisceau 3D, dorigine S (confondu avec N), on passera de C au PPA puis F, soit S en introduisant la 3e composante p normale au plan de limage et en négligeant la distance N-N m PPS p N N vers M m diaphragme Plan image Objectif Axe optique S PPA C F F et S confondus

30 Passage des coordonnées images m (x y) aux coordonnées faisceau m (x yz) DIAS x faisceau = x image + x dr + dx PPA ; y faisceau = y image + y dr + dy PPA ; z faisceau = -p avec correction de distorsion r dr x image y image PPS m x faisceau y faisceau x dr dy PPA dx PPA y dr C PPA m Rappel : pour les films, il faut ajouter la rectification daffinité

31 La géométrie externe DIAS Terrain S (X S,Y S,Z S + R 3 ) M (X M,Y M,Z M ) m (x,y) F(0,0)

32 Les éléments externes Chaque image sera liée à son sommet perspectif S qui possède 6 degrés de liberté dans le système d'axes trirectangulaires objet DIAS 3 translations selon l'axe des x : dbx selon l'axe des y : dby selon l'axe des z : dbz 3 rotations autour de 0x : Site autour de 0y : Convergence autour de 0z : Déversement S X Y Z

33 les inconnues DIAS Z Y X Système de coordonnées terrain ZpZp y x centre de perspective S (X,Y,Z,,, ) Rayon lumineux Objet M (X,Y,Z) m (x i,y i ) p m Image négative Image positive 6 inconnues de faisceau permettent de repositionner le cliché dans l espace tel qu il était au moment de la prise de vue les coordonnées des sommets de prises de vues Les angles de rotation et autour des trois axes (passage du système terrain au système cliché) 3 inconnues de point Les coordonnées X, Y et Z du point M dans le système terrain

34 3 techniques photogrammétriques Analogique Analytique Numérique La stéréoscopie permet de voir l'objet photographié en 3 dimensions. La restitution permet de dessiner lobjet en 3 dimensions DIAS

35 La technique analogique Mécanique et optique On repositionne physiquement les clichés dans leur configuration de prise de vue Dessin direct par crayon ou couteau DIAS

36 Les parallaxes Parallaxe longitudinale = X m1 - X m2 Elle permet de mesurer en profondeur : les 2 rayons perspectifs coupent ce nouveau plan en M1' et M2' tels que M1'M2' est parallèle à l'axe des Y matérialisera le relief du modèle Parallaxe transversale =Y m 1 - Y m 2 Elle ne peut être fusionnée par notre cerveau. servira à orienter les faisceaux tels quils étaient lors de la prise de vues DIAS

37 La mise en place du « modèle » L'orientation interne consiste à passer de limage au système faisceau L'orientation relative consiste à retrouver lorientation relative des clichés lors de la prise de vue : En annulant en six points caractéristiques du modèle, tous les rayons homologues se coupent. Lorientation absolue consiste à recaler le modèle dans le système « terrain » en sappuyant sur des points connus. DIAS

38 Les 6 points de Von Grüber Ce sont les points caractéristiques qui permettront dorienter les clichés DIAS

39 Comment ça marche : –Orientation interne : passage de limage au faisceau, plus prise en compte des déformations des films OI_interne.ppt –Orientation relative : formation d'un modèle stéréoscopique de l'objet photographié en repositionnant les 2 clichés l'un par rapport à l'autre. OR_relative.ppt –Orientation absolue : mise à l'échelle et orientation du modèle dans l'espace à l'aide de points identifiés sur les clichés, dont les XYZ terrain sont connus. OR_absolue.ppt DIAS

40 La technique analytique Vrais clichés et écriture mathématique du passage cliché–terrain DIAS

41 m = f (M) (x,y) = f (X,Y,Z)Coordonnées dans l'espace à deux dimensions (le cliché) à trois dimension (le terrain) La méthode analytique Les translations et rotations mécaniques sont remplacés par des calculs DIAS M (X,Y,Z) m (x, y) TERRAIN cliché

42 Caractéristiques principales Pas de contrainte mécanique Méthode précise (corrections fines, introduction de données externes) Traitement simultané des orientations relative et absolue possible. DIAS

43 Equations Fondamentales en photogrammétrie Relations entre mesures et paramètres (inconnues) L approximation de la photographie à une perspective conique permet d exprimer deux conditions fondamentales sous forme d équations : –l équation de colinéarité, –l équation de coplanéïté DIAS

44 Dans léquation de colinéarité, tout doit être exprimé dans le même système faisceau. Si SM est exprimé dans le système terrain, la condition devient : avec R = matrice de rotation de passage du système terrain au système cliché Condition de colinéarité DIAS SmkSM. SmkRSM.

45 Condition de coplanéïté Equation de coplanéïté Rappel : Exprimer toutes les coordonnées dans le même système DIAS

46 Aérotriangulation Pour géoféférencer un couple dimages, il faut connaître 12 paramètres (5 internes, 7 externes) à partir de points d'appui : –2 connus en XY pour la mise à l'échelle –3 connus en Z (non alignés) pour le basculement L'aérotriangulation est un calcul par faisceaux qui permet de calculer globalement les paramètres de toutes les images dun bloc à partir de quelques points terrain fournis par la stéréopréparation DIAS

47 Les inconnues Inconnues de faisceau –sommet S (X, Y, Z) –composante de la rotation du terrain=>cliché Inconnues de point –coordonnées des points dans le système terrain et qui été mesurés sur les clichés Inconnues de systématismes le long de la bande –alti : courbure verticale z=k 1 x 2 –alti : la torsion (effet d'hélice) z=k 2 xy –plani : courbure horizontale y=k 3 x 2 Inconnues de positionnement –enregistrement GPS des sommets de prise de vue DIAS

48 par moindres carrés Cest une méthode de résolution d un système de q équations à n inconnues lorsque q>n Les équations sont de la forme f(x, p)=0 –x représente les observations (les mesures), –p représente le vecteur des paramètres (recherchés) Deux cas : –Equations linéaires : normalisation, résolution (Cholesky, Gauss) –Equations non linéaires : linéarisation par changement d inconnues et utilisation d une solution approchée. DIAS LE CALCUL GLOBAL

49 La technique numérique Images numériques ou numérisées et écriture mathématique du passage cliché–terrain m = f (M) (x,y) = f (X,Y,Z) DIAS

50 Ecran de saisie stéréo. 3D Ecran de contrôle 2D Souris Clavier Lunettes de vision stereoscopique Souris 3D, 3D puck ou manivelles adjustable table and monitor arms Cartes graphiques Carte réseau CPU et RAM Lecteur de disquettes CD-ROM Disques durs Système darchives DIAS Une station de restitution numérique

51 Organigramme de production Points terrain mesurés au sol (avion) mesurés dans cartes (satellite) Aérotriangulation, spatiotriangulation Restitution photogrammétrique MNT, MNE Orthophotos BD PLANI, BD TOPO Produits dérivés Traitement géométrique Utilisateurs BDG, SIG Numérique +orbitographie, attitude Argentique +position (GPS), cap (scanner) Numérique +postion (GPS) attitude DIAS

52 –Appareil photographique numérique –TopAero PC (triangulation) –Poivilliers E (mesure 3D) –Cumulus (laser 3D) –Camnum (gestion des missions photos) –Certains logiciels du commerce DIAS La chaîne ENSG

53 Des MNT semi-automatiques 30 km 20 km DIAS

54 une ortho simple

55 Vraies orthos - comparaison

56 Vraies orthos – données externes requises

57 Vraie ortho – ce que lon veut :

58 Animations 3D DIAS


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