Les drones, photogrammetrie et Lidar

Le premier Drone UAV (Unmanned Aerial Vehicle) équipé de caméra a été inventé dans les années 1970 par un professeur Franco-Israélien du nom de David Harari. De nombreuses avancées technologiques sont liées à l’Art de la guerre, le Drone n’échappe pas a la règle , et avant d’être un outil cartographique et un jeux démocratisé, ce dernier est avant tout une arme de guerre. Sa première utilisation militaire servit à la surveillance par l’armée Israélienne des incursion syriennes au Liban ( source, 1982).

Drone Scout

Drone Scout ( 70′, utilisé au Liban). Source : https://dronever.jimdo.com/petite-histoire-des-drones/

 

Au début du 20eme siècle, pendant la première guerre mondiale, nous utilisions l’ancêtre du drone, de petites montgolfières équipées d’appareils permettant de prendre des photos dont le développement prenait une petite heure. Dans les années 30′ les états unis développent des drones prochent de ce que l’on connait aujourd’hui ( ailes, moteur), mais sans caméra ( juste photo).

Drone « US Navy Curtiss ‘N2C-2’ (USA, 1937) » Source : https://sites.google.com/site/uavuni/1920s-1930s

C’est à partir des années 90 ‘ que les armées du monde ont commencé à sérieusement s’intéresser aux drones voyant alors l’immense potentiel de ce dernier. Le drone est donc un outil neuf, qui vient d »éclore et pourtant déjà massivement utilisé. Toutes les armées du monde en ont, les recherches dans les technologies liées au drone n’ont cesse de croitre. Le drone a toujours été étroitement lié à la cartographie; de moins en moins couteux, accessible au plus grand nombre, le drone civil est capable de cartographier en Deux dimension comme en trois dimensions  de larges zones de façon autonome. Les drones  amateurs et accessibles ( <2000 €) permettent à un néophyte de retirer une photogrammétrie d’un lieu en quelques heures seulement ou de cartographié plusieurs hectares avec une précision au centimètre près, ce qui est bien mieux que ce que propose les fonds de plan satellite au grand public.

Il est aujourd’hui difficile pour un particulier comme pour un professionnel d’exercer dans beaucoup de lieux en France. De nombreuses restrictions existent pour les drones de loisir comme nous pouvons le voir sur la carte de Géoportail ci dessous

 

Représentation d’une prise de photos d’un bâtiment. Source : https://dronesaeroconcept.nc/wp-content/uploads/2016/11/formation-photogramm%C3%A9trie.jpg

Le moyen le plus connus via drone pour réaliser un modèle 3D est la technologie de photogrammétrie.

La photogrammétrie, selon le CNRTL, est « une technique permettant de déterminer les dimensions et les volumes des objets à partir de mesures effectuées sur des photographies montrant les perspectives de ces objets ». De nombreux outils existent aujourd’hui rendant ces calculs automatiques. Pour que la photogrammétrie opère, il faut un certain nombre de photos qui se chevauchent ( entre 80 et 90% de superposition), prisent autour de l’objet cible. Ainsi l’outil utilisé, va calculer les volumes et  représenter les images dans un univers en trois dimensions.

Cette technique permet par exemple d’avoir un modèle 3D d’un bâtiment, d’un terrain, du sol. On peut ensuite lui trouver de nombreuses applications, comme surveiller l’architecture d’un bâtiment, l’érosion du sol ou encore s’en servir pour des simulations d’inondations.

La photogrammétrie à ses limites car elle ne permet pas d’avoir un modèle numérique de terrain de façon simple. Effectivement, elle va représenter tout ce qui se trouve sur les photos… Il faudra alors un long et fastidieux effort pour retirer végétation et bâtiments.

La technologie Lidar (capteur de point dans l’espace) permet de passer outre ce problème.

 

Exemple du rendu d’un nuage de point lidar, source : http://www.ball.com/aerospace/Aerospace/media/Aerospace/Page%20Banner%20Images/laser_technologies_totalsight_denver_1200x399-100K.jpg?ext=.jpg

Le Lidar (Light Detection And Ranging) est un laser qui envoie un faisceau de lumière en direction du sol contrairement au radar qui emploie des ondes radio ou le sonar qui utilise des ondes sonores. La réflexion de ce faisceau est ensuite captée et analysé. Le lidar permet de décomposer les éléments présents sur le sol, il est alors aisé de séparer les points qui appartiennent à un bâtiment de ceux qui appartiennent à  la végétation par exemple, ce qui est impossible avec la technologie de photogrammétrie, et d’en tirer par exemple seulement le sol. Plusieurs outils permettront ensuite de créer un Raster à partir de ce nuage de point (en général au format « .las ») pour récupérer directement un MNT (modèle numérique de terrain) ; ou alors un TIN (Triangulated irregular network = réseau triangulé irrégulier) qui permettra une représentation rapide, en fonction de la zone analysée de la morphologie de la surface.

 

Représentation sous forme de TIN dans ArcMap, source : https://support.pix4d.com/hc/article_attachments/115013255283/tin.png

 

Dragage d’une orthophoto sur un MNT via L’outil Grass de QGIS, source : https://datagistips.hypotheses.org/167

 

Capture lidar avec affichage des différentes positions du drone, source : https://www.expouav.com/news/wp-content/uploads/sites/10/urc-ventures-drone-photogrammetry-point-cloud-with-camera-positions-1.png

 

Capture d’écran du modèle 3D de la falaise du Plateau de la Sarée,
Source : https://sketchfab.com/models/486682ce6fb24a03ac9bfc51993822b1


Comme nous pouvons le voir sur la maquette numérique ci-dessous, un drone a permis d’acquérir des données géospatiales et de la photogrammétrie permettant de représenter en trois dimensions le plateau de la Sarée.

Falaise du Plateau de La Sarée – Bar-sur-Loup
by Drone 06
on Sketchfab

 

On remarquera le détail suffisant sur les textures planes comme les routes ou falaise. Mais la photogrammétrie est très peu performante sur la végétation. On remarquera la précision très fine des abords de route et de la falaise.

Plusieurs « couches » sont disponible dans la visualisation de cette maquette, notamment la géométrie.

Capture d’écran du modèle 3D de la falaise du Plateau de la Sarée

Ici la précision du rendu dépendra de plusieurs choses, la vitesse du drone, la qualité de l’objectif utilisé, le nombre de photos prises et la distance par rapport à la cible. Ce type de maquette réalisée permet de travailler en amont et de Controller l’évolution d’une falaise notamment sans se déplacer.

La réalisation de maquettes sur plusieurs temporalités du même lieu permet de suivre l’évolution géomorphologique apparente.

 

 

Un autre exemple assez bluffant de photogrammétrie du Matterhorn :

Drone Bathymétrique de la société Hélicéo

Drone bathymétrique de la société Hélicéo,
Source : http://www.heliceo.com/wp-content/uploads/2016/10/Heliceo_Foxbathy_bathymetrie_01-880×669-1.jpg

Un drone Bathymétrique permet de sonder la rivière en récolant des données sur sa morphologie. Il permet la représentation allant du m au cm en 3D d’une rivière, un lac, de la côte en récupérant l’altitude du fond hydrographique.

C’est le cas du drone FoxBathy de la société Hélicéo.

 

Aujourd’hui de nouvelles utilités du Quadrimoteur font leurs apparition et notamment pour la sécurité dans les villes, c’est le cas de la ville d’Évreux où la police municipale s’équipe de drones qui seront déployés lors de manifestations d’ampleur tels que des festivals.

http://www.paris-normandie.fr/actualites/societe/la-ville-d-evreux-muscle-sa-securite-EJ11180150

Police municipale. Source : http://www.paris-normandie.fr/actualites/societe/la-ville-d-evreux-muscle-sa-securite-EJ11180150

Ces drones permettrons une extensions de agents et prévoir une potentielle atteinte ou mouvement de foule. Les images et vidéo permettrons d’avoir une vue d’ensemble qu’une personne à pied en est incapable.

 

 

Sources

Un drone utilisé dans la commune de Bar-sur-Loup

« Identifier en temps réel les contours d’un sinistre »

Quelques outils de cartographie et photogrammétrie disponibles

 

Pour aller plus loin…

Un modèle numérique de terrains par drone pour évaluer l’érosion

Une mesure de efficacité du Lidar embarqué sur un drone

Des drones dans le domaine des risques industriels

Un prototype de voiture drone