S'abonner à un flux RSS
 

Traitement des données issues des levés lidar

De Wikhydro
Version du 10 juillet 2014 à 16:49 par Frédéric Pons (discuter | contributions)

(diff) ← Version précédente | Voir la version courante (diff) | Version suivante → (diff)
Site internet du RFRC : Réseau Français de Recherche Côtière

Sommaire

Introduction

Une fois acquises les données lidar doivent être converties en produits utilisables. Cet article décrit les types de données produites et les processus liés à leur post-traitement, qui visent en général à produire des modèles numériques de terrain (MNT).

Le post-traitement des données et les produits

Vérification de la qualité des données

Le traitement des données du lidar topographique nécessite deux grandes étapes a) une vérification interne de la qualité des données brutes et b) un contrôle de qualité externe. Pour les contrôles de qualité, il convient principalement de s'assurer de trois points: la densité de données (pour assurer la production d’un MNT convenable) ainsi que la précision horizontale et verticale des données. La densité des données peut ne pas être respectée lorsque les survols de la campagne ne sont pas effectués correctement, entraînant des trous entre fauchées adjacentes ou sur les plans d’eau (puisque l'eau absorbe en théorie le rayonnement infrarouge). Les exploitants fournissent souvent une carte de densité en parallèle avec les fichiers de données. Le contrôle de la qualité des données topographiques consiste à éliminer des valeurs aberrantes qui peuvent être causées par la présence de certains obstacles à la trajectoire de la lumière.
Cela signifie aussi qu’il faut filtrer les objets ne présentant pas d'intérêt direct pour l'utilisateur (généralement la végétation, les maisons et autres objets) pour parvenir à un MNT représentant réellement les cotes du terrain naturel. Alors que la signature du terrain naturel peut être récupérée assez facilement sur du lidar topographique, la signature des fonds est beaucoup plus complexe à détecter sur le lidar bathymétrique. Dans la pratique, tous les groupes de points sont examinés individuellement par l'opérateur qui décide si le fond a été trouvé ou non. Cela dépend aussi du contexte (point voisins) et de l'examen des formes d’onde. La rétrodiffusion de la lumière peut être modifiée par la végétation permanente (par exemple, les algues), ce qui peut compromettre la détection du fond.

Données produites par un lidar topographique

Les premiers produits du lidar que l’opérateur est invité à fournir sont des triplets (xyz) exprimés dans un ellipsoïde de référence verticale et dans tout système de coordonnées horizontales convenable. Le tableau 1 montre un exemple de données produites. Les lots de données doivent avoir été transcrits en élévations réelles sans valeurs aberrantes. Dans la plupart des cas, cela devrait être vérifié deux fois avec d'un logiciel capable de traiter d’importants lots de données. Même s’il est intéressant de produire à l’aide d’une interpolation rapide une sortie sur une maille de taille moyenne (en général 5 m) utilisée pour avoir un rapide aperçu sur les données, l’utilisateur demandera en général la fourniture d’un MNT prêt à l’emploi avec la meilleure résolution possible, c’est-à-dire métrique. Dans ce cas, cela doit être précisé dès le début des travaux. Les utilisateurs les plus expérimentés préfèrent produire leur propre interpolation.

Exemple de données produites par un levé de lidar topographique
Tableau 1: Exemple de données produites par un levé de lidar topographique

Données produites par un lidar bathymétrique

Les données produites à partir d'une campagne de lidar bathymétrique sont listées dans le tableau 2 ci-dessous. Le système fournit la position (X, Y, Z) du fond par rapport à l'ellipsoïde WGS 84, mais aussi la hauteur d'eau, ce qui en retour donne le niveau de la surface. Le niveau de la surface est en fait dérivé d'un moyennage sur une grande fenêtre de traitement, ce qui assure une plus grande fiabilité dans sa détection et fournit aussi la hauteur des vagues. Chaque point est marqué avec l'indication « terre » ou « eau » et dans ce dernier cas un marqueur indique si le fond a été détecté ou non. Un horodateur permet d'évaluer les données en fonction des informations sur la marée.

données délivrées par un levé de lidar bathymétrique
Tableau 2: données délivrées par un levé de lidar bathymétrique (Admiralty coastal surveys)

L’intensité de rétrodiffusion du lidar

Les systèmes lidar sont également capables de capter des données d’intensité. L'intensité est un sous-produit qui n'est en général pas garanti par les opérateurs car les valeurs ne sont pas calibrées en tant que grandeur physique et ont uniquement une valeur indicative. Elles peuvent être transformées pour produire un fichier maillé géoréférencé qui ressemble un peu à une image classique. On a déjà essayé de fusionner l’intensité fournie par un lidar topographique avec deux canaux visibles d’orthophoto pour générer une image composite infrarouge. Certains ajustements ont dû être faits pour équilibrer les intensités des trois canaux. Le lidar bathymétrique fournit également l'intensité de la rétrodiffusion sur le fond sous forme d’une image de niveaux de gris proportionnels au signal dans le canal vert.
Toutefois, les méthodes d'extraction de l'intensité des signaux ne sont pas encore stabilisées et des recherches sont encore nécessaires pour évaluer ces possibilités. Certains systèmes fournissent un logiciel pour visualiser les formes d’onde en chaque point, ce qui pourrait donner une indication sur la nature du fond.

Traitement des données de modèles numériques de terrain (MNT)

La validation des données

La précision du lidar topographique est vérifiée grâce à la détermination de surfaces de référence au moyen d’un DGPS. Généralement, ces surfaces doivent être unies et plutôt planes, afin que l’imprécision horizontale ait une influence limitée sur la précision verticale. Les meilleures surfaces sont des terrains de sport, car ils fournissent une vaste surface plane entourée d'objets verticaux remarquables (haies, rambardes, poteaux).
La validation se fait en deux étapes. La vérification du positionnement horizontal doit être réalisée tout d’abord en relevant un certain nombre d’objets verticaux grâce à leur empreinte sur le terrain. Une fois qu’il a été vérifié que la précision horizontale se situe dans les limites spécifiées (c'est-à-dire entre 0,5 et 1 mètre emq pour du lidar topographique), la vérification de la précision verticale peut être effectuée. Un ensemble de points de terrain est sélectionné, puis les mesures lidar les plus proches sont appariées à chacun d’entre eux, avec un espacement ne dépassant pas un mètre par exemple. Un nombre suffisant de ces paires peuvent alors être traitées statistiquement. La littérature (Huising, 1998, Joinville et al. 2002 [1], Populus et al, 2003 [2]) montre que sur un terrain nu, uni et de pente modérée, on obtient toujours une précision verticale supérieure à 0,15 m emq avec le lidar topographique. Ces chiffres se dégradent avec le type de terrain, c'est-à-dire en présence d’une végétation rase, de marais littoraux, et de pentes comme c'est le cas pour des rivages à falaise.
Avec le lidar bathymétrique, les vérifications de terrains sont beaucoup plus complexes à réaliser pour des raisons évidentes. Il faut choisir des emplacements où les sédiments du fond sont nus et facilement accessibles par bateau. L’idéal est de mesurer des données de terrain à l’aide d’un sondeur multifaisceaux. Il est crucial d’effectuer toutes les mesures dans un système vertical indépendant du niveau de l'eau (hauteurs sur l’ellipsoïde). Peu d'études sont disponibles à ce jour sur la validation du lidar bathymétrique à l'aide de données acoustiques.

Production d'un MNT

La question de l’interpolation des données n'est pas abordée ici, car il existe de nombreuses références qui peuvent être consultées par les lecteurs. Certains auteurs (Joinville et al, 2002 [1], Daniels, 2000) donnent un bon aperçu de leurs procédures. Toutefois, les documents opérationnels décrivant complètement ces étapes n'ont pas encore été produits.
Les conseils suivants peuvent être proposés. Comme les fichiers de données lidar sont extrêmement volumineux (supérieurs à 20 Mo par km ²), les données ascii en (xyz) peuvent être découpées en carreaux de taille raisonnable, ce qui rend le traitement plus léger. Ces tuiles peuvent couvrir 4 km ² par exemple, ce qui implique, pour une densité de 0,5 point / m², 2 * 106 points par tuile. L’organisation des tuiles est présentée dans le schéma ci-dessous et les caractéristiques d’assemblage des tuiles doivent être fournies avec les données.

Schéma de chevauchement
Figure 1: Schéma de chevauchement

MNT issu d’un lidar bathymétrique sur une zone côtière des Côtes d'Armor
Figure 2: MNT issu d’un lidar bathymétrique sur une zone côtière des Côtes d'Armor

Lorsque les données sont livrées sous forme de tuiles, il faut prendre soin d’éviter les effets de bord lors de l'exécution de l'interpolation. Une solution est d'avoir un certain chevauchement entre les tuiles, de sorte que l'interpolation s’appliquera au-delà de la limite de tuiles, rendant les limites invisibles lors de la mosaïque (figure 1). A titre indicatif pour les densités de levés actuelles un recouvrement de 20 mètres est plus que suffisant.
Plusieurs mailles doivent être prévues en sortie d’interpolation car les MNT sont susceptibles de servir à différents usages. Pour la modélisation hydrodynamique, une maille de 20 mètres est en général largement suffisante. Pour un rendu synoptique, une maille de 5 m sera adaptée car elle peut être rapidement affichée sur n'importe quel système. Pour des usages spécifiques, il faudra produire un MNT dont la maille devra reproduire la densité moyenne des données enregistrées (en général 1 à 2 m). À cette résolution, les MNT lidar peuvent facilement être utilisés conjointement avec l'imagerie aérienne numérisée.
Dans le cas où un MNT est produit de manière continue au niveau de la limite du plan d’eau, il est nécessaire d'identifier et d'écarter les points en eau sur le lidar topographique. Il est recommandé que la cote de l'interface soit identifiée dans un endroit à pente raisonnable et que ce seuil soit alors appliqué à l'ensemble du MNT. L’hypothèse d’un niveau d'eau constant doit alors être faite pour l'ensemble de la zone d’étude.

Exemple d'un MNT produit par un lidar bathymétrique

L’illustration montre un MNT subtidal du nord de la Bretagne fait à partir d'une campagne lidar. La ligne bleue est la plus basse mer astronomique et les isobathes de 10 et 20m sont également indiquées. Comme le levé a eu lieu entre la mi- marée et la basse mer de morte-eau, la hauteur d'eau est de 2 à 5 m au-dessus du zéro des cartes marines. On voit que des points du levé vont jusqu’à l’isobathe de 20 m, ce qui signifie une pénétration des rayons lumineux de 22 à 25 mètres. La densité des points du lidar va de 3m (nominale) à environ 5m dans les parties les plus profondes du domaine, en raison de l'extinction de certains rayons. Le MNT a été interpolé sur un maillage de 3m.

Liens internes

Références

1. ↑ 1.0 1.1 de Joinville O., Ferrand, B., Roux M., 2002. Levé laser aéroporté : Etat de l'art, traitement des données et comparaison avec des systèmes imageurs, in : Bulletin SFPT N°166, pp 72-81.
2. ↑ Populus J., Laurentin A., Rollet C., Vasquez M., Guillaumont B., Bonnot-Courtois C., 2003. Surveying coastal zone topography with airborne remote sensing for benthos mapping, eProceedings of Earsel's GIS "Remote Sensing of the Coastal Zone", Ghent, 2003 June 5-7, 105 117: pp. 13.

Références complémentaires

  • Huising E.J., Gomes Pereira L.M., 1998. Errors and accuracy estimates of laser data acquired by various laser scanning systems for topographic applications, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 53, 245-261: pp. 17.
  • Tuell G., Park J. Y., 2004. Use of SHOALS bottom reflectance images to constrain the inversion of a hyperspectral radiative transfer model, Proceedings of SPIE, Laser Radar Technology and Applications IX, Volume: 5412, pp. 9.
  • Populus et al., 2001. Assessment of the Lidar topographic technique over a coastal area. CoastGIS’01, Second International Symposium on GIS and Computer Mapping for Coastal Zone Management, Halifax, June 18-20, 2001.


Le créateur de cet article est Jacques Populus
Note : d'autres personnes peuvent avoir contribué au contenu de cet article, [Consultez l'historique].

  • Pour d'autres articles de cet auteur, voir ici.
  • Pour un aperçu des contributions de cet auteur, voir ici.
Outils personnels