MNT à très haute résolution spatiale pour la représentation 3d de ravines d'érosion en montagne - INRAE - Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2009

(trad auto)Very high spatial resolution DTM for the 3d representation of erosion gullies in mountains

MNT à très haute résolution spatiale pour la représentation 3d de ravines d'érosion en montagne

Résumé

Assessment and comprehension of gully erosion dynamics at their temporal and spatial scale in Badlands (marl's geology, south of French Alps) need fast and easy reproducible methods of characterization of these phenomena. This requires a very great flexibility in topographic data acquisition, very high temporal and spatial resolution, an easy to use methodology, and low costs. We tested two approaches of spatial observation in order to accomplish this goal: an aerial approach by stereophotogrammetry from unmanned aerial vehicle (UAV or drone) images, using non metric digital frame cameras and available data processing methods; and a terrestrial approach by ground laser scanner.Results for the aerial approach shows that there are three key elements in the stereoscopic data processing sequence which make it possible to overcome the constraints of such application: ground preparation (number and distribution of ground control points); systematic errors compensation resulting from image acquisition geometry (by correction for lens distortions and self-calibrating methods); and an image matching strategy (by multi-resolution and relief regularization algorithms). An adequate combination of these three elements enabled us to obtain a drone DTM with resolution, accuracy, and hydrologic coherence within the limit of the data (average image ground resolution 3 cm, average error in Z of 5 cm). In regard to the terrestrial approach, results of LiDAR measurement test on different geometric surfaces show that the noise is of one centimetre from a measure distance of 30 meters. The application of a simple average filter in a regular grid of 1 centimetre makes it possible to reduce the noise and also to recreate geometric forms of more than 3 cm large. For the smaller geometrical forms, the dispersion of the data is so important that it is not possible to detect them, and after application of noise filter the detail is lost. The advantage-constraints ratio between these two approaches is levelled by the aspects extent-continuity and resolution-precision of the resulting DTM. The aerial approach produces DTM with better extent and continuity, while the terrestrial approach produces more precise and detailed DTM. There is a strong potential for the complementary use of these two approaches in the assessment and comprehension of gully erosion dynamics in marly mountains. The quality obtained by drone DTM on the gullies studied, after application of all the possible corrections, appeared very close to the quality obtained by ground LiDAR techniques. These results reveal the enormous potential of drone images for the development of inexpensive DTM, with a very high spatial resolution, in spite of many constraints. In addition, ground LiDAR arises as an interesting topographic surveying system for the monitoring of elementary processes of gully erosion, allowing for very detailed measurements in space and time.
Le suivi et la compréhension de la dynamique spatio-temporelle de l'érosion par ravinement en zones de Badlands (montagnes marneuses à Draix, Alpes Françaises méridionales) ont besoin de méthodes de caractérisation détaillée, rapide et facilement reproductibles de ces phénomènes et de leurs manifestations sur le terrain. Nous avons testé deux approches d'observation spatiales afin de répondre à ces besoins : une approche aérienne à partir de la stéréophotogrammétrie d'images drone (en utilisant des appareils photos « grand public » et des méthodes de traitement informatique existant), et une approche terrestre à partir d'un scan LiDAR terrestre. L'analyse de résultats pour l'approche aérienne montre qu'il existe trois éléments clefs dans la chaîne de traitement stéréoscopique qui permettent de surmonter les contraintes d'une telle application : la préparation de terrain (nombre et distribution des mires) ; la compensation des erreurs systématiques issues de la géométrie d'acquisition d'images (par correction de déformation de lentilles et autocalibrage) ; et la stratégie de corrélation d'image (par algorithme multirésolution et normalisation du relief). Une combinaison adéquate de ces trois éléments nous a permis d'obtenir une précision, un détail et une cohérence hydrographique des MNT drone à la limite de la donnée (résolution d'image originale au sol autour de 3 cm, erreur moyenne en Z de 5 cm). Par rapport à l'approche terrestre, l'analyse du bruit de la mesure LiDAR sur tôles avec des formes géométriques connues nous montre une dispersion autour d'un centimètre pour une distance de mesure de 30 mètres. L'application d'une moyenne simple à un pas régulier d'un centimètre permet de réduire le bruit et aussi de récréer les formes de plus de 3 cm. Pour les formes géométriques plus petites, la dispersion des données est tellement importante qu'il n'est pas possible de les détecter. Le rapport « avantages-contraintes » entre ces deux approches est nivelé par les éléments « étendue-continuité » et « résolution-précision » des MNT résultants. L'approche aérienne produit des MNT avec une étendue et une continuité importante, tandis que l'approche terrestre produit des MNT plus précis et détaillé. Ces deux approches peuvent être considérées comme complémentaires à l'heure d'étudier les manifestations superficielles de l'érosion hydrique en montagnes marneuses. La qualité obtenue par le MNT drone sur les ravines étudiées, après application de toutes les corrections possibles, s'est révélée très proche de la qualité obtenue par les techniques LiDAR. Les résultats révèlent l'énorme potentiel du vecteur drone pour le développement des MNT peu coûteux, avec une très haute résolution spatiale, malgré de nombreuses contraintes. D'autre part, le LiDAR terrestre se révèle comme un système de lever de terrain permettant une rapidité et une répétitivité de mesure, ainsi qu'un niveau de détail intéressant pour le suivi des processus élémentaires d'érosion hydrique et ses manifestations sur le terrain.
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Citer

A. Jacome. MNT à très haute résolution spatiale pour la représentation 3d de ravines d'érosion en montagne. Sciences de l'environnement. Doctorat Sciences de l'Eau AgroParisTech-SIBAGHE, Montpellier, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02593651⟩
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