La photogrammétrie par drone

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Photogrammétrie aérienne par drone avec plan de vol

La photogrammétrie par drone

La photogrammétrie terrestre est un formidable moyen pour numériser en 3D. Mais de nombreuses scènes nécessitent que l’on prenne de la hauteur.

Dans de nombreux cas, la photogrammétrie aérienne par drone s’impose donc.

Pourquoi les drones sont devenus indispensables

Permettre à des appareils de numérisation 3D tels que des LiDAR ou des appareils photo a longtemps nécessité d’employer des aéronefs coûteux et peu accessibles, si bien que les numérisations 3D aériennes n’étaient réalisées qu’à l’échelle de territoires entiers, afin de rationaliser les coûts et de bénéficier de financements en grande partie publics.

Cette incapacité des appareils de numérisation 3D à prendre facilement de la hauteur fut pendant longtemps le fruit d’une divergence technologique. Les appareils de numérisation étaient lourds et volumineux, alors que les aéronefs réduits tels que les drones n’avaient encore que de très faibles capacités de portage.

Compte tenu des nombreuses opportunités qu’offre un rapprochement de ces deux mondes, la recherche scientifique et industrielle a fini par permettre la convergence technologique.

Les capteurs photo et LiDAR sont désormais suffisamment légers, et les drones suffisamment performants pour que la numérisation 3D aérienne prenne son envol.

La photogrammétrie aérienne

La photogrammétrie, qu’elle soit terrestre ou aérienne, repose sur les mêmes principes et méthodes. Dans les deux cas, les étapes de la numérisation restent donc les mêmes :

  1. préparation de la scène,
  2. prise de vue,
  3. reconstruction photogrammétrique,
  4. ajout de points de calage et export des données.

Les spécificités de la prise de vue aérienne à des fins de reconstruction 3D ne sont donc pas liées à une méthode de numérisation différente mais plutôt à des conditions atypiques de prises de photos, ayant un impact sur la définition du type de matériel adéquat ainsi que sur la méthodologie d’arpentage de la scène.

Photogrammétrie aérienne par drone avec plan de vol

Photogrammétrie aérienne par drone avec plan de vol

Il est utile de rappeler que la photogrammétrie est une technique de reconstruction 3D de scènes ayant été prises en photo à des angles de vue différents permettant de limiter les zones occluses tout en offrant la possibilité de procéder informatiquement à des corrélations d’images, détectant ainsi les pixels identiques entre les photos dans le but de déduire la géométrie globale de la scène capturée.

La donnée d’entrée est uniquement l’image, rien de plus.

Toutefois, les conditions souhaitées de prise de vue requièrent l’emploi d’un “aéronef”, terme désignant un appareil capable de se déplacer dans les airs. Prendre des photos depuis le ciel n’a rien de naturel pour un humain. Comprendre les applications actuelles de la photogrammétrie aérienne devient plus simple lorsqu’on a une vision historique des évolutions technologiques.

Histoire de la photogrammétrie aérienne

L’obsession de l’Homme à vouloir se déplacer dans les airs existe depuis l’antiquité, la légende d’Icare en est le témoignage. Les humains ont toujours jalousé les oiseaux, espérant trouver un jour un moyen de voler à la seule force de leurs membres.

Progressivement, l’Homme comprit que seule la technologie pourrait l’aider dans cette quête. C’est ainsi que la capacité à prendre les airs ne commença réellement qu’en 1783 lorsque les frères Montgolfier parvinrent à faire décoller un humain à bord d’un ballon à air chaud.

Le premier vol habité en 1783

Le premier vol habité en 1783

Progressivement d’autres types d’aéronefs virent le jour au cours du 19ème siècle, et la réelle maîtrise des trajectoires ne commença qu’au début du 20ème siècle.

De nos jours, il existe de nombreux aéronefs motorisés : avions, hélicoptères, ULM (Ultra Léger Motorisés); ainsi que des aéronefs non motorisés : planeurs, parapentes, deltaplanes, wingsuit… Toute une palette d’appareils hybrides a également été développée par croisement de ces grandes familles.

Voler n’est plus une difficulté pour les humains. Embarquer avec eux un appareil photo avec le but de procéder à des travaux de photogrammétrie n’en est plus une depuis longtemps.

Les outils évoluent, les idées restent les mêmes

Les outils évoluent, les idées restent les mêmes…

A l’époque de la Première Guerre Mondiale, les calculateurs informatiques étaient incapables de procéder à des traitements complexes. On développa alors des méthodes de  “photogrammétrie analogique” exploitant des outils de “stéréo-restitution”. Ce sont donc les yeux et le cerveau humain qui ont eu le rôle de calculateur dans le but de produire des carte de relief.

La photogrammétrie analogique a précédé les logiciels

La photogrammétrie analogique a précédé les logiciels

La donnée d’entrée était alors des couples de photographies “nadirales” (prises un emplacement situé à la verticale d’un point prédéfini). Les deux images d’une même zone ayant été prises avec une position légèrement décalée, chacune était alors projetée sur un œil différent de l’opérateur qui pouvait alors voir en relief.

Ne remarquez-vous pas une similarité avec les casques de réalité virtuelle et les lunettes 3D de cinéma ?

Les casques de réalité virtuelle reposent également sur la vision stéréoscopique du relief

Les casques de réalité virtuelle reposent également sur la vision stéréoscopique du relief

Les organisations étatiques ont su déployer suffisamment de personnel et de matériel pour parvenir à produire les premières cartes de relief de l’histoire basées sur la photogrammétrie analogique au milieu du 20ème siècle.

Mais l’humain reste lent, coûteux et peu précis pour ce type d’opérations qui doivent, qui plus est, être réalisées fréquemment pour maintenir la pertinence des cartes au regard des évolutions morphologiques des territoires.

Vers la photogrammétrie numérique

A la fin des années 1950, une première convergence technologique permit de relier les outils de DAO (Dessin Assisté par Ordinateur) aux outils traditionnels, créant ainsi les premiers “stéréorestituteurs analytiques”.

A l‘aube des années 2000, l’informatique a commencé à offrir suffisamment de puissance de calcul pour se substituer aux yeux et au cerveau humain, donnant naissance aux premières applications de “photogrammétrie numérique”.

Pourquoi ce cours sur l’histoire de l’aviation ? Parler de ces évolutions technologiques et des outils qui en découlent, permet de prendre de la hauteur, de voir une tendance de fond se dessiner très clairement.

Avez-vous remarqué qu’au cours de l’histoire l’humain a compris successivement qu’il n’était ni le bon outil pour voler, ni pour pour réaliser massivement des travaux photogrammétriques ? Ce qui est extrêmement intéressant et même fascinant est de voir qu’une l’intelligence collective est à l’oeuvre conduisant même une certaine forme de modestie : l’humain comprend qu’il n’est pas le bon outil, alors il développe de nouvelles technologies pour le remplacer. Nous en arrivons ainsi à la période actuelle.

Le début de l’emploi de drones

Employer des moyens coûteux tels que les aéronefs avec pilotes, qu’ils soient avions, hélicoptères ou même ULM, n’est que peu pertinent au regard de certaines applications basiques. Prendre de la hauteur n’est pas sans complexité ni dangers, et la rationalité économique n’est pas toujours au rendez-vous pour numériser en 3D des scènes d’envergure réduite. Alors, à nouveau, l’humain cherche à sortir du processus.

Les “aéronefs avec pilotes” sont remplacés par des “aéronefs pilotés à distance” voir même des “aéronefs autopilotés”.

Vous l’aurez compris, nous parlons des drones.

De nos jours, les applications de la photogrammétrie aérienne reposant sur des aéronefs pilotés restent nombreuses, et ont même tendance à l’être de plus en plus, mais quoi qu’il en soit, ces usages ne sont généralement pertinents qu’à l’échelle de territoires entiers et non pour des applications restreintes notamment pour le domaine de la construction. Sur ce segment, la photogrammétrie aérienne est donc majoritairement réalisée à l’aide de drones.

Composition d’un drone

Un drone est un appareil réutilisable capable de voler de manière autonome et/ou télépilotée, on n’embarque donc pas de pilote.

On distingue deux catégories de drones :

  • les drones militaires utilisés à des fins de surveillance ou de combat,Un drone militaire armé
  • les drones civils utilisés à des fins industrielles ou commerciales, qui nous intéressent pour les usages en photogrammétrie aérienne appliquée à la construction.
    Un drone civil DJI Mavic 2

Les drones civils se déclinent en deux familles :

  • les “ailes volantes” dont la forme n’est pas sans rappeler celle des avions,
    Un drone aile volante Parrot Disco
  • les drones multirotors qui se rapprochent plus des hélicoptères.
    Un drone multirotors DJI Phantom 4 Pro Plus Black

Faire le parallèle avec les avions et hélicoptères est assez utile pour comprendre les applications possibles de chaque type de matériel.

Différents drones pour différentes applications

Contrairement à un hélicoptère, un avion est incapable de faire du sur-place; pour voler sur de longues distances, l’hélicoptère n’est pas aussi rapide ni économe qu’un avion. Ces caractéristiques restent totalement vraies à l’échelle des drones.

Ainsi, dans le cadre d’applications professionnelles, les ailes volantes seront privilégiées pour cartographier de longues distances (parcelles très étendues, projets linéaires de type routiers ou ferroviaires, cours d’eau..) alors que les multirotors seront employés pour des applications plus locales (carrières, bâtiments, ouvrages de génie-civil, falaises…).

Composants d’un drone

Si la morphologie très variable des drones conduit à des applications différentes, le reste de la composition est identique. Ces appareils embarquent toute une série d’appareils électroniques :

  • capteurs de positionnement par satellites (GNSS),
  • centrales inertielles (IMU), boussoles et gyroscopes ayant pour fonction de comprendre et retracer en temps réel les mouvements du drone,
  • antennes destinées notamment à la communication avec la radiocommande du télépilote ainsi qu’à la transmission des flux de données numériques en provenance et à destination de l’appareil de supervision et de télévisualisation des images transmises,
  • calculateurs embarqués, dont la fonction est d’interpréter à haute fréquence les données temps réel issues des capteurs pour déclencher les actions adéquates, notamment pour le maintien de la stabilité du drone,
  • capteurs sonar, ils permettent l’évitement des obstacles en ajustant les déplacements du drone dans le but d’éviter les situations à risque,
  • moteurs, dédiés à la rotation des pales ou hélices, leur rôle dans les capacités de vol est évident,
  • batteries, embarquant suffisamment d’énergie pour assurer l’ensemble des fonctions de l’appareil tout en veillant à avoir un poids le plus faible possible afin d’améliorer l’autonomie du drone,
  • capteur photo et vidéo ayant pour fonction essentielle la captation des données visuelles, tout en jouant parfois également un rôle dans la navigation (photographie de la zone exacte de décollage pour reconnaissance et guidage précis à l’atterrissage).

Capteurs photo et vidéo

Un drone capable de réaliser des travaux de photogrammétrie embarquera systématiquement un appareil photo :

  • soit de manière intégrée : le capteur est une composante à part entière du drone,
  • soit de manière rapportée : le drone propose les raccordements mécaniques et électroniques nécessaires au branchement d’un capteur photo externe sur une nacelle.
Différence entre une nacelle externe et intégrée

Différence entre un appareil photo rapporté et intégré

Dans les deux cas la taille des capteurs est fréquemment réduite afin d’en alléger le poids. Il est donc vivement recommandé de vous référer aux explications précédemment données sur les caractéristiques des capteurs.

Choisir le bon drone pour des applications photogrammétriques requiert de bien comprendre les notions pouvant avoir un impact sur la qualité des images, et donc sur la précision et la cohérence du modèle 3D qui en découle.

Parmi les paramètres importants à prendre en compte la stabilité des images en est un primordial.

Côté capteur, cela implique d’avoir la capacité à utiliser des vitesses d’obturation importantes tout en maintenant une luminosité suffisante. Jouer sur l’ouverture du diaphragme permet d’accroître la quantité de lumière atteignant le capteur, mais produit un flou d’arrière- plan néfaste pour la précision du modèle, et jouer sur la sensibilité ISO pour maintenir une grande profondeur de champ malgré une vitesse d’obturation élevée, génère un bruit numérique important sur les images.

Reposer uniquement sur les caractéristiques intrinsèques des capteurs photo n’est pas donc suffisant pour assurer la netteté des images. Aussi, plusieurs méthodes de stabilisation existent et peuvent être cumulées.

La nacelle de stabilisation active

Ce premier niveau de stabilisation est également l’élément le plus différenciant en terme de qualité de stabilisation et, au final, d’ images. La nacelle est un élément mécanique liant la caméra et ayant vocation à annihiler les mouvements du drone en induisant des mouvements inverses en temps réel au capteur photo. Il s’agit en ce sens d’une protection active.

Par analogie avec les casques audio, la capacité de réduction des bruits ambiants est proposée par certains par le biais d’une protection passive : une bonne isolation phonique. Celle-ci est complétée par d’autres par une protection active : production d’un bruit ayant un profil d’onde exactement inverse afin que l’addition des deux conduise à la réduction des vibrations de l’air et donc du niveau de bruit reçu.

Les nacelles parviennent compenser activemment les mouvements parasites du drone afin de stabiliser l’image. Dans la réalité des faits, n’importe quel mouvement (sauf la translation) d’un objet dans son environnement peut être transcrite en rotations combinées autour des trois axes X, Y et Z.

Illustration de la stabilisation sur trois axes - DJI Mavic 2

Illustration de la stabilisation sur trois axes – DJI Mavic 2

C’est donc en ces termes de “nacelles stabilisée sur trois axes” que les fabricants de drones présentent cette capacité. Notez tout de même que certains appareils proposent une stabilisation sur 2 axes.

Généralement c’est l’axe le moins sollicité qui est abandonné pour parvenir à réduire les coûts, en l’occurrence il s’agit de l’axe parallèle au sens de visée. La stabilisation sur ce dernier axe devient alors numérique. Le drone conserve une marge de travail sur le pourtour des images afin de procéder à des rotations numériques et un rognage des bords afin que ce travail de rotation ne soit pas perçu sur l’image finale.

La stabilisation optique

Il s’agit toujours d’une méthode de stabilisation active que beaucoup d’entre nous connaissons déjà du fait de son implémentation dans la plupart des appareils photo de bonne qualité. Cette fois-ci, ce sont directement les composants internes de l’appareil photo qui possèdent la capacité de se déplacer en temps réel de manière à annihiler les déplacement parasites et les vibrations.

La stabilisation numérique

Ce dernier niveau de protection est non seulement bien moins efficace que le deux premiers, mais il est également à proscrire totalement dans le cadre de travaux de photogrammétrie.

Une protection numérique procède de la même manière que les outils de déformation d’images présents dans des logiciels tels que Photoshop ou Gimp. On travaille cette fois-ci sur la correction par déformation de l’image finale et non sur les mesures préventives permettant de réduire les mouvements du capteur.

En matière d’amélioration d’image, cela est tout aussi peu recommandable que de se protéger des blessures à vélo en possédant un bon stock de pansements et de glace plutôt que de porter un casque !

Mais le problème ne se limite pas à cela. En effet, la photogrammétrie utilise les corrélations d’images pour détecter les pixels communs entre les photos et en déduire des distances pour reconstruire un modèle 3D. La stabilisation numérique ayant justement pour fonction de déformer les images afin de compenser visuellement les effets de mouvement, les distances entre pixels perdent tout cohérence de même que la fiabilité de la numérisation 3D.

Toute utilisation de cette dernière méthode de stabilisation est donc fortement déconseillée dans le cadre d’une quête de précision.

Workflow de photogrammétrie aérienne

La photogrammétrie aérienne par drone peut être réalisée soit de manière manuelle soit de manière automatique. Il faut entendre en ces termes la différence d’utilisation de l’outil qu’est le drone.

Utiliser un drone en mode manuel consiste à être à l’origine de chacun des déplacements et actions de prises de photo ou de vidéo. C’est une action intentionnelle de téléopérateur qui fait office de déclencheur. A contrario, les utilisations “automatiques” désignent le fait que drone et capteur photo répondront aux injonctions provenant d’un programme informatique et non d’un humain. Dans la pratique, les deux modes peuvent être cumulables, conduisant à une utilisation hybride.

De manière très concrète, un mode automatique pourra être obtenu en branchant son mobile à la radiocommande du drone puis en lançant une application dédiée à la création de séquences de vol en dessinant une zone de prise de vue sur une carte.

Etablissement d'un plan de vol via l'application Pix4D pour smartphone

Etablissement d’un plan de vol via l’application Pix4D Capture pour smartphone

L’application trace alors un itinéraire qui est communiqué au drone sous la forme d’un listing de “points de passage” (waypoints) par le biais de la radiocommande, et l’appareil procède ensuite aux actions prédéfinies.

D’un point de vue technique, occultant volontairement le volet administratif, une mission de photogrammétrie aérienne peut se résumer en trois étapes :

  1. préparation de la mission de vol par reconnaissance du site et création des éventuelles séquences automatiques,
  2. vol et acquisition d’images,
  3. récupération des images et lancement des travaux de reconstruction par photogrammétrie numérique,

Vous remarquerez la similitude avec les étapes de réalisation d’une mission de photogrammétrie terrestre, témoin que le drone n’est finalement rien de plus qu’un appareil photo dans ce workflow de numérisation 3D.

La vérité sur les drones

Ce point mérite un petit aparté. Les drones étant nouveaux et d’une certaine manière révolutionnaires dans nos vies, nous regardons cet outil avec un regard intrigué nourrit d’une partielle incompréhension se manifestant sous la forme d’une fascination pour certains et de craintes pour d’autres.

Cela conduit à une surenchère marketing destinée à provoquer des achats compulsifs chez les premiers et, dans le même temps, à la production de lois aberrantes pour calmer les peurs des seconds.

Ce site parle aux professionnels. Gardons le pragmatisme nécessaire à la rationalisation de nos activités. En l’occurrence, dans le cadre d’une mission de numérisation 3D, le drone n’est rien de plus qu’un “outil capable de prendre des photos d’une manière qui n’est pas naturellement accessible”. Au regard de cette description, une simple “perche à selfie” propose les mêmes fonctionnalités ! Sans elle vous ne pourriez pas vous prendre en photo à côté de vos cinq amis sans que l’un d’entre eux ne quitte la scène, pour la simple raison que votre bras n’est pas assez long.

S’il semble ridicule de percevoir une perche à selfie comme un outil révolutionnaire pourquoi regarder les drones sous cet angle ?

En terme de business, le drone n’est qu’un outil qui sera parfois nécessaire à la création de valeur, mais qui n’entrera pas dans la composition du produit final, pas plus que la marmite qui a servi à cuisiner votre soupe. Même si la technologie vous fascine, et tout particulièrement dans cas d’ailleurs, gardez votre sang froid et votre raison :

  • n’achetez pas de drone si vous n’en avez pas besoin,
  • ne réalisez pas de missions par drone si elle peuvent être réalisées en terrestre,
  • ne faites pas de photogrammétrie par drone si c’est d’un scanner laser 3D dont vous avez en fait réellement besoin.

En d’autres termes, considérez les drones avec autant de froideur et de pragmatisme que d’autres matériels moins séduisants. N’employez les drones que s’ils peuvent vous apporter des gains en terme de qualité ou des économies sur les temps d’arpentage sur site.

Temps d’acquisition

Par nature un drone se doit de travailler rapidement du fait son autonomie très limitée variant entre 15 et 60 minutes pour la plupart d’entre-eux, le remplacement de batteries permettant malgré tout d’augmenter cette durée en réalisant des missions en plusieurs vols successifs.

L’emploi de logiciels de création de séquences de vol automatisées permet de collecter plusieurs centaines d’images en moins de trente minutes. La collecte de photos aériennes par drones est donc très rapide et apporte indéniablement des atouts en termes de réduction des coûts humains liés à la numérisation, pouvant ainsi justifier l’investissement matériel.

Coût du matériel

La gamme de prix des drones est extrêmement vaste et va du simple “jouet” à 30€ au drone professionnel de plusieurs dizaines de milliers d’euros, le tout dans un marché en constante évolution.

Il est donc impossible de donner un ordre de grandeur et seule une étude de marché réalisée par vos soins saura répondre à cette question. Sachez tout de même qu’il est tout à fait possible de trouver des drones ayant les caractéristiques matérielles suffisantes à des travaux de photogrammétrie pour moins de 1 500 €.

Données collectées

La photogrammétrie par drone produit au même titre la photogrammétrie terrestre des modèles 3D pouvant être déclinés en nuages de points colorisés ou de meshs texturés.

Clément VALENTE

Expert en construction numérique

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