Projet d’outil de suivi hydromorphologique par la photogrammétrie

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Jeudi 13 octobre 2016

Projet d’outil de suivi hydromorphologique par la photogrammétrie

ONEMA  - Délégation Inter Régionale  Auvergne-Limousin
Le concept est né d'une rencontre entre une passion : l'aviation, et un métier : technicien à l'Onema.
Dès 2002, Bruno Lechevillier est persuadé que la vision du territoire vu du ciel peut être un outil de gestion très intéressant, notamment pour suivre les pressions s'exerçant sur les cours d'eau. Il fonde l'association le Pélican Jaune et se lance dans l'aventure de la photographie aérienne amateur. Tout est à inventer, tout reste à construire… les évolutions techniques (logiciel en open source) et la démocratisation du matériel photographique numérique a permis de faire les premiers prototypes de fixation et les premiers clichés vus du ciel.

C'est en 2014 que la collaboration entre l'Onema et Le Pélican Jaune prend un second élan ;  en intégrant, in extrémis, le suivi expérimental à partir de photographies aériennes à l’étude sur la recolonisation par l’Ichtyofaune de l’Artière  (Clermont-Ferrand-63) sur un tronçon néoformé.
 

 2014, première série de photos – Rivière Artière (63 – France)


Quels enjeux et quels objectifs ?

L’enjeu de ce travail est d’explorer les possibilités qu’offrent les prises de vues aériennes géoréférencées pour suivre les évolutions hydromorphologiques d’un cours d’eau.
Ce travail expérimental a notamment pour objectifs de mettre au point une méthode analytique basée sur des  prises de vues réalisées à basse altitude (entre 150 et 500m) à partir d’un avion de tourisme et l’utilisation de gratuiciel à la portée de tous (Qgis, Missionplaner…).
 
La méthodologie mise en place
 
Une première phase : la prise de vue y compris la préparation du plan de vol, l’équipement de l’avion, autorisations ad hoc

  • Plan de vol et équipement de l’avion  Ce travail, réalisé par le Pélican jaune, consiste à préparer le plan de vol à partir du logiciel open source « Missionplaner » et à équiper l’avion (Cessna ou DR400) du dispositif de prise de vue développé par Bruno Le Chevillier. Ces deux actions peuvent être faites indépendamment  mais requièrent  la double compétence d’un pilote expérimenté.
  •  Photographie du site  Les clichés sont pris en faisant plusieurs survols de la zone à deux altitudes différentes (500 m et 150 m). Pour permettre la réalisation de bonnes photographies sans zone d’ombre, les vols doivent être réalisés de préférence lorsque le soleil est au zénith.Le matériel utilisé est un appareil numérique reflexe grand publique (Canon EOS 6D), doté d’un objectif (Canon EF 24-70mm f/4L IS USM) réglé sur la focale 30mm. Cet appareil est doté d’un GPS qui géolocalise les photographies lors de la prise de vue. Le rayon d’action d’un avion léger sur la métropole est un atout non négligeable, il permet, à moindre coût, sur des territoires de différentes tailles (100m à plusieurs km / mini 0.5 ha à plusieurs ha) de réaliser de multiples prises de vues, avec la possibilité d’acquérir dans un même vol des images aériennes sur plusieurs sites différents.
 
Une  seconde phase : l’analyse des données  avec le traitement des photos, le calage des référentiels cartographiques, photointerprétation, photogrammétrie….
  • Trie et assemblage des photographies  Les photographies sont triées, traitées (format, netteté, balance des couleurs…) et assemblées à partir de différents logiciels de retouches photographiques (Canon DDP…). Elles sont dans un second temps importées sous SIG (Qgis) pour être géoréférencées.
  • Géoréférencement et exploitation des données  Le géoréférencement des photographies est, après le calage des prises de vues, le point le plus délicat du travail, notamment en milieu naturel avec très peu de repère commun. C’est principalement le cas sur l’Artière néoformée, qui vu du ciel, semble couler sur un terrain de terre sans repère antérieur aux travaux. Pour faciliter le calage des photographies prises entre 2014 et 2015, un travail avec un géomètre expert  a permis, à partir de cibles positionnées sur le terrain, de géoréférencer la campagne d’observation de 2016 (couche de référence) et de recaler de manière satisfaisante les clichés antérieurs.
 Des résultats encourageants

Les premiers résultats sont prometteurs. Avec cette première approche, l’absence de point de contrôle lié au caractère artificiel de la zone (milieu naturel modifié sans repère visuel identifiables) a contraints à limiter le projet. Seule une valorisation en plan a été abordée de manière partielle en 2015. Néanmoins, ce travail couplé à des opérations de terrain (Protocole Carhyce, profils en long et profils sédimentaire) a permis d’envisager une suite à ce travail expérimental.
 
Quelles sont les pistes d’amélioration envisagées ? Dès 2016, des solutions pour améliorer la précision des données récoltées et leurs interprétations ont été mises en place. Ces améliorations étaient nécessaires pour pouvoir se lancer dans la photogrammétrie. La technique de géoréférencement a été revu en équipant la zone d’étude de cibles géolocalisées au GPS différentiel. Ce travail a notamment permis de créer une couche de référence et de caler les fichiers les plus anciens.Conjointement aux prises de vue aérienne, une campagne de photographies a été réalisée sur site avec un appareil photographique muni d’un GPS.
 
Quels nouveaux résultats et  quelles perspectives ? Le géoréférencement des photographies 2016 à partir de Qgis, est  très satisfaisant. Il semble être à la portée d’un utilisateur non aguerri à ce type de logiciel. Sur cette base, le calage des photographies aériennes plus anciennes a pu être effectué à partir de points de référence communs. Ce travail reste difficile à faire et requière une bonne connaissance du terrain. A ce titre, la campagne photographique de terrain précise facilite le travail et permet  d’engager les premières photo-interprétations et de tester quelques outils de calculs.
 

2016, assemblage des trois campagnes photographiques (2016 / 2014 /2015)
 
 

2016, photogrammétrie et photo-interprétation
 

L’intérêt de ce type de travail semble se confirmer, notamment à travers la nature du « vecteur avion de tourisme » qui complète avantageusement l’espace déjà occupé par les images satellitaires et celles produites par des drones à très faible altitude.
Une nouvelle réglementation européenne exige depuis 2013, une procédure de certification pour approuver notre système de fixation. Les démarches initiées par le Pélican jaune sont en cours auprès de l’agence européenne de la sécurité aérienne.
Dans ce type d’expérimentation, la qualité des images produites est primordiale, elle conditionne énormément la chaine analytique. Un gros travail de fiabilisation des prises de vue est en cours par le Pélican jaune qui doit trouver la bonne adéquation entre le réglage de l’appareil photographique et la hauteur de vol plancher (entre 150 et 250 m). La technologie Wifi, permet actuellement  d’envisager des optimisations, notamment sur les réglages et la validation de la qualité des clichés en plein vol.
La pose de cibles (dès le premier survol) semble être une solution peu onéreuse pour augmenter  la qualité du géoréférencement. Une réflexion sur l’optimisation du nombre de cible par rapport à un linéaire étudié et sur les limites d’utilisation de cette méthode sera menée par l’Onema dans les mois à venir.
 
Conclusion
 

L’utilisation du vecteur avion est intéressante car il se situe entre la prise de vue satellitaire et celle du drone. Cette méthode est adaptable à tout type de milieux et de missions. Elle permet de caractériser des cours d’eau de différentes tailles sur quelques centaines de mètres à plusieurs kilomètres. Elle peut être utilisée pour caractériser des milieux remarquables au titre de la biodiversité qu’ils abritent ainsi que des milieux plus anthropiques au travers des missions de surveillance des territoires.
 
Ce type d’approche permet pour un coût modéré, dans un rayon d’action important au départ de n’importe quel aérodrome de métropole de réaliser un suivi photographique adapté aux besoins (Crues, travaux…) et de s’initier à la photogrammétrie.

 

Assemblage de prises de vue – Rivière Allier (63 – France)
 
Références bibliographiques
 
2014 - Communication d’Andy Ritchie– « The Elwha PlaneCam Tracking the largest dam removal ever in high spatiotemporal resolution…with cheap cameras » - Powerpoint de 38 Diapos
 
article rédigé par :
Bruno LE CHEVILLIER, chef du Service Départemental du Puy-de-Dôme
William SREMSKI, responsable Unité Connaissance Environnementale