Les cinq étapes de la création d’une carte au moyen de petits drones

Walter Volkmann

Auparavant, on représentait tous les éléments d’une carte par des symboles dont les caractéristiques spatiales (emplacement, taille, forme) pouvaient être définies mathématiquement dans un système référentiel de coordonnées.

On appelait « données vectorielles » les informations spatiales sous-jacentes aux éléments représentés de cette manière. En revanche, depuis l’apparition de la photographie aérienne, on peut désormais également produire des cartes avec des cellules de quadrillage (ou pixels) à chacune desquelles on assigne des valeurs de couleur normalisées, exactement comme pour une image numérique. On appelle « données raster » (ou matricielles) les données utilisées pour produire ce type de carte. Les cartes élaborées à partir des capteurs embarqués à bord des véhicules aériens sans pilote (VASP) ou drones sont dites « sous format matriciel ».

Une carte, au sens traditionnel du terme, doit au minimum répondre aux conditions suivantes : elle doit comporter une échelle et une flèche indiquant le nord, et elle doit offrir un grand degré de cohérence dans la précision des données. De nos jours, au lieu d’utiliser une échelle donnée pour obtenir la résolution souhaitée, les experts utilisent la résolution au sol (Ground sample distance, GSD). Cela représente la largeur et la longueur de la zone couverte au sol par un seul pixel de la mosaïque de capteurs de la caméra. La précision de la carte est donc intimement liée à la GSD. Pour une GSD fixée à 20 centimètres, il ne sera pas possible d’obtenir une mesure des distances entre des points perceptibles au sol plus précise que 20 cm.

Cinq étapes sont nécessaires pour créer une carte au moyen de drones de petite taille :

Étape 1. Conception de la carte et des plans de vol

Afin de s’assurer que la carte sera bien adaptée aux objectifs poursuivis, il importe de déterminer dès le début du processus le type de capteur(s) à utiliser (de lumière visible, de lumière infrarouge, multispectral ou hyperspectral). Une fois le type de capteur déterminé, il faut fixer la GSD adéquate. Plus la résolution au sol diminue et plus la résolution (et la précision) de la carte sera élevée.

Pour évaluer la résolution au sol souhaitée avec un appareil donné, il faut calculer l’altitude de vol correspondante, qui sera fonction de la résolution du ou des capteur(s) et de la distance focale de l’optique de la caméra. La création de cartes à partir d’images doit de plus garantir un recouvrement minimum des photos (exprimé en pourcentage). Pour satisfaire aux exigences en matière de recouvrement, il convient de calculer les intervalles auxquels l’appareil doit se déclencher, ainsi que l’espacement des bandes adjacentes au moyen des dimensions de l’empreinte au sol d’une image.

La Figure 1 illustre le rapport entre, d’une part, la taille et la résolution du capteur ainsi que la distance focale et l’altitude de vol et, d’autre part, la résolution au sol (GSD) et les espacements entre les déclenchements et entre les bandes.

Par exemple, pour une GSD fixée à 12 millimètres, l’altitude de vol est de 50 mètres, l’appareil doit se déclencher tous les 9,8 mètres dans la bande de vol, et les bandes de vol doivent être espacées de 22 mètres.

Une fois ces paramètres calculés, on peut mettre au point un plan de vol pour couvrir la zone d’intérêt. Il existe de nombreux outils de conception de plans de vol (gratuits ou payants) pour générer des plans de vol et des plans de tâches numériques de manière quasi automatique qui pourront ensuite être téléchargés sur le drone qui les exécutera alors automatiquement.

Étape 2. Acquisition des images

Afin de permettre l’orientation et la position absolues de la future carte, c’est-à-dire pour géo-référencer cette carte, il est nécessaire de placer sur le terrain des balises de taille et de forme adéquates : ces « Points de contrôle au sol » (PCS) doivent pouvoir être formellement identifiés sur l’imagerie aérienne, et leurs coordonnées dans le système de cartographie de référence souhaité seront mesurées par des méthodes de géomètres.

Dès que les balises PCS sont en place, le plan de vol peut être téléchargé sur le drone pour y être exécuté. Pour un fonctionnement sûr, il convient de procéder à des vérifications de vol et à l’évaluation du terrain avant le lancement du drone. À l’atterrissage, on télécharge le journal de bord et les images aériennes du drone vers un ordinateur portable ou un périphérique de stockage avant de procéder au traitement des images.

Étape 3. Traitement des images

On associe volontiers la technologie des drones à la production de cartes en haute résolution, mais, sans la technologie de la Structure from Motion (SfM), la révolution cartographique que nous connaissons n’aurait jamais pu avoir lieu. Le degré d’automatisation extrêmement élevé qui caractérise cette technique de cartographie est essentiel pour la démocratisation de la production de cartes.

La première étape de la SfM consiste à aligner les caméras, processus accéléré par l’introduction des positions approximatives des caméras telles qu’enregistrées par le contrôleur de vol du drone. Ces positions approximatives sont également utilisées pour géo-référencer les positions des caméras, ainsi que tous les produits en aval générés par le processus de SfM. Lorsque des PCS (ainsi que leurs coordonnées terrestres) sont nécessaires pour un géoréférencement plus précis, leurs coordonnées-image doivent être visibles dans chaque visuel dans lequel ils apparaissent. Cette étape est généralement la seule intervention manuelle de la procédure de SfM. Dès qu’un modèle de terrain et un atlas de textures ont été produits, on peut générer différents produits géo-spatiaux. En règle générale, sur un ordinateur portable, on peut traiter quelque 500 images de 20MP (couvrant entre 5 et 10 hectares à une résolution au sol entre 10 et 20 millimètres) de grande qualité en l’espace de 24 heures environ.

Étape 4. Préparation et visualisation des produits géo-spatiaux

Une fois le processus de SfM achevé, on peut extraire différents produits géo-spatiaux. Pour une représentation en deux dimensions du terrain, on génère une orthophotographie sur le référentiel et la projection souhaités. On obtient alors une carte raster géo-référencée sans distorsion. Pour ajouter la troisième dimension, on peut générer un modèle altimétrique numérique (MAN) sous format matriciel ou vectoriel. L’association des produits susmentionnés permet des visualisations en 3D extrêmement réalistes, ainsi que des analyses plus ou moins automatiques relatives à la santé de la végétation, la détection de bâtiments, l’évaluation des sols sous l’angle du drainage et de l’irrigation, ou encore au calcul des volumes et de la hauteur des cultures.

Étape 5. L’extraction d’informations essentielles

Des cartes matricielles véhiculent une quantité impressionnante d’informations, mais la diffusion des volumes de données très importants qu’elles contiennent occuperait une quantité considérable de bande passante. De nombreux logiciels de représentation graphique sont incapables de gérer de tels volumes. Il est donc impératif d’extraire des volumes de données les éléments essentiels pour toute analyse spécifique.

Cette opération est réalisée grâce à l’arpentage virtuel, un processus permettant à l’« arpenteur » de parcourir sans effort le terrain virtuel tout en procédant à des mesures, comme s’il se trouvait sur le terrain. Toutes les données capturées ainsi par l’« arpenteur virtuel » sont sauvegardées sous format vectoriel (format le plus efficace) puis exportées vers un logiciel DAO ou un système d’information géographique (SIG). La possibilité de se livrer à des travaux de topographie virtuels permet d’améliorer considérablement les performances et de réduire les coûts liés aux travaux de cartographie et de topographie. Le travail sur le terrain ne prend plus que quelques heures contre plusieurs semaines auparavant, voire plusieurs mois.

Autres progrès liés à la cartographie par drones

Notons que la cartographie SfM sans PCS est également possible : il suffit alors de connecter un récepteur miniaturisé de système mondial de navigation par satellite (GNSS) à double fréquence à la caméra pour enregistrer le moment précis de chaque déclenchement de l’appareil. De cette manière, les positions de déclenchement peuvent être déterminées de manière très précise, au centimètre près. Certains soutiennent que cette manière de procéder permet de faire l’impasse sur les PCS. De toute évidence, cette nouvelle approche devra faire l’objet de recherches plus approfondies avant de pouvoir convaincre les professionnels de la cartographie.

Enfin, l’émergence de scanners Lidar toujours plus légers constitue un autre progrès important. Le Lidar présente l’avantage unique de pouvoir pénétrer à travers la végétation, ce que n’arrive pas à faire la SfM.

Grâce à ces étapes et ces développements, les cartes numériques peuvent désormais être créées et analysées.