Orthocartographie avec mosaïques

L'orthocartographie désigne les processus de génération de produits ortho, tels qu'une mosaïque d'images, un modèle numérique de terrain (DTM) et un modèle numérique de surface (DSM), à partir d'un ensemble d'images de télédétection.

Lorsque de nombreuses images sont nécessaires pour couvrir intégralement votre zone d'étude, vous devez les mosaïquer en un jeu de données d'orthomosaïque. Ces images satellite et aériennes s'accompagnent d'erreurs géométriques, ainsi que de défauts d'alignement entre les scènes d'images adjacentes engendrées par des facteurs systématiques et non systématiques. Pour améliorer la précision géométrique et réduire le défaut d'alignement, vous devez appliquer un ajustement de groupe de blocs, également connu sous le nom de triangulation d'images, à ces images.

Le modèle numérique de terrain (MNT) utilisé dans l'orthorectification d'images joue un rôle très important dans la précision géométrique de la mosaïque d'images finale, en particulier pour les zones où le MNT varie. Lorsqu'une précision géométrique élevée de la mosaïque d'images en sortie est requise, vous devez dériver des DSM et DTM haute résolution des couples stéréoscopiques.

ArcGIS Desktop prend en charge l'ajustement de groupe de blocs d'images satellite et aériennes. Le logiciel peut générer des produits d'orthocartographie, tels que des orthomosaïques, des DTM et des DSM, à partir des ajustements de groupes blocs. Vous trouverez ci-dessous un diagramme de workflows de haut niveau permettant de générer des produits d'orthocartographie.

Le workflow d'orthocartographie comporte six tâches :

• Créer une mosaïque.
• Réaliser un ajustement de bloc de groupe.
• Générer un nuage de points à partir d'une mosaïque.
• Générer un DTM et d'un DSM.
• Equilibrer les couleurs et réduire les raccords.
• Générer des produits d'orthocartographie.

Créer une mosaïque

Une mosaïque est le modèle de données dans ArcGIS qui permet de gérer et de traiter une collection d'images, telles que les images satellite, les images aériennes, les photos aériennes numérisées et les images UAS et UAV. Le workflow d'orthocartographie commence par la création d'une mosaïque à partir d'images de votre zone d'étude.

1. Créez une mosaïque à l'aide de l'outil Créer une mosaïque.
2. Ajoutez les données à l'aide de l'outil Ajouter des rasters à la mosaïque en choisissant le type raster approprié pour les données. Pour plus d'informations sur les types de raster, reportez-vous à la rubrique Présentation d'un type raster.

Ci-dessous se trouve une vue d'emprise de mosaïque créée à partir d'images UAV.

Une fois la mosaïque créée, l'étape suivante consiste à réaliser l'ajustement de bloc de groupe.

Réaliser un ajustement de bloc de groupe

L'ajustement de bloc de groupe consiste à affiner l'orientation des images et les paramètres géométriques en résolvant un modèle mathématique établi à partir d'un ensemble de points de contrôle. Les paramètres géométriques calculés sont ensuite utilisés pour corriger l'orientation des images et pour orthorectifier les images avec le modèle d'altitude. Les points de contrôle utilisés dans ce processus incluent trois types :

• Un point de rattachement est le même emplacement de point qui apparaît dans plusieurs images superposées. Ces différents points ne possèdent pas de coordonnées terrestres connues, mais chacun comporte ses propres coordonnées d'image. Un point de rattachement peut disposer de deux rayons (dans ce cas, il possède deux points correspondants dans deux images superposées) ou de plusieurs rayons, selon le nombre d'images superposées utilisées.
• Un point de contrôle au sol (GCP) est un point qui possède des coordonnées terrestres connues.
• Un point de vérification est semblable à un point de contrôle au sol, mais il sert à examiner la précision de l'ajustement.

L'ajustement de bloc de groupe établit des équations de multicolinéarité à partir de ces points de contrôle et calcule les transformations à l'aide de l'algorithme des moindres carrés en minimisant et en distribuant les erreurs parmi ces points de contrôle. En conséquence, les erreurs géométriques des images sont corrigées ou minimisées et les disparités sont résolues.

La solution de l'ajustement de bloc de groupe ArcGIS Desktop inclut un ensemble d'outils de géotraitement dans la boîte à outils Orthocartographie :

• Pour la génération automatique de points de rattachement
• Pour le calcul automatique de points de contrôle au sol à partir d'une image de référence ou de fragments d'image
• Pour la génération de DTM et de DSM
• Pour l'ajustement de bloc rigoureux à destination des images satellite, des images aériennes et des images de drone, ainsi que pour l'ajustement polynomial à destination des images de télédétection qui ne peuvent pas être décrites par des caméras full-frame ou des coefficients polynomiaux rationnels (RPC, Rational Polynomial Coefficients)

Le calcul d'appariement des images utilise plusieurs cœurs d'une seule machine ou de plusieurs machines déployées via ArcGIS Server et peut gérer une vaste collection d'images. En outre, une fenêtre Ajustement de bloc peut être utilisée pour mettre à jour les points de contrôle et analyser les résultats de l'ajustement.

Vous trouverez ci-dessous le workflow de l'ajustement de bloc de groupe d'une mosaïque dans ArcGIS Desktop.

Une fois la mosaïque créée, les trois étapes suivantes préparent les points de contrôle qui sont nécessaires dans le processus d'ajustement de bloc de groupe. Une fois les différents points de contrôle créés, ils doivent être analysés en termes de couverture. Les ajustements peuvent ensuite être calculés et la solution peut être appliquée à votre mosaïque.
1. Utilisez l'outil Calculer les points de rattachement pour générer automatiquement des points d'appariement à partir des images superposées au sein de la mosaïque.

   En outre, la fenêtre Ajustement de bloc peut servir à mettre à jour manuellement les points de rattachement.

2. Ajoutez les points de contrôle au sol à la mosaïque. Différentes méthodes permettent d'ajouter les points de contrôle au sol fournis par ArcGIS :
   • Si vous possédez une image de référence, vous pouvez utiliser l'outil Calculer des points de contrôle pour calculer les points de contrôle, puis l'outil Ajouter des points de contrôle pour les ajouter à la table de points de contrôle. L'image de référence peut être n'importe quelle image dotée d'informations de système de coordonnées précises, telle qu'une couche d'imagerie d'ArcGIS Data and Maps, ou un fragment d'image géoréférencée.
   • Si vos points de contrôle au sol sont stockés dans un fichier texte ou une table, vous pouvez l'importer à l'aide de la fenêtre Ajustement de bloc.
   • Si les coordonnées des points de contrôle au sol ne sont pas stockés dans un fichier texte ou une table, vous pouvez saisir manuellement les coordonnées depuis la fenêtre Ajustement de bloc.
3. Créez des points de vérification en utilisant la même méthode que pour créer des points de contrôle au sol. Une fois ces points de vérification créés, utilisez la fenêtre Ajustement de bloc pour modifier le type GCP en CHK.

   Les points de vérification sont semblables aux points de contrôle au sol, mais ils servent à examiner la précision de l'ajustement.

4. Créez les tables de couvertures et de superpositions des points de contrôle en exécutant l'outil Analyser les points de contrôle.

   des points de contrôle précis et équilibrés sont très importants dans le processus d'ajustement de bloc de groupe. Pour visualiser et évaluer la couverture des points de contrôle, utilisez les deux tables dans la fenêtre Ajustement de bloc.

5. Une fois la table de points de contrôle prête, calculez les ajustements à l'aide de l'outil Calculer l'ajustement de bloc afin d'obtenir une table de solutions et une table de points de solution.

   RPC	Option utilisée pour les images satellite dotées d'un modèle RPC.
   Fenêtre	Option utilisée pour les images aériennes.
   Polyorder	Un algorithme d'ajustement non rigoureux qui calcule la transformation dans l'espace de la carte sans ajuster l'orientation de la caméra. Cette option peut servir pour les images non dotée d'un modèle RPC ou de caméra full-frame. L'objectif principal vise à réduire le défaut d'alignement entre les images superposées sans mettre l'accent sur la précision du contrôle au sol.

   Une table de solutions stocke les transformations calculées pour chaque image. Une table de points de solution contient tous les points obtenus par le calcul de bloc de groupe, tels que les points dans les coordonnées terrestres 3D. Pour plus d'informations sur les tables en sortie, reportez-vous à la rubrique Structure des tables d'ajustement de bloc.

   Pour les images UAS et UAV, où les informations sur l'orientation de la caméra sont moins nombreuses, l'outil Calculer le modèle de caméra est conçu pour calculer automatiquement les paramètres d'orientation de la caméra. Exécutez l'abord l'outil à l'aide d'un niveau de résolution d'image moindre. Calculez ensuite à nouveau le modèle de caméra en résolution maximale avec toutes les étapes d'ajustement de bloc rassemblées en un seul outil de géotraitement.

   

6. Utilisez la fenêtre Ajustement de bloc pour analyser le calcul d'ajustement de bloc et optimiser la précision.
   1. Analysez l'erreur quadratique moyenne (QM) de chaque image.
   2. Vérifiez les valeurs résiduelles des points de contrôle. Effectuez par exemple un tri pour identifier les images dont l'erreur QM est élevée.
   3. Identifiez les points dotés de valeurs résiduelles.
   4. Identifiez l'emplacement des points d'erreur.
   5. Mettez à jour, supprimez ou ajoutez d'autres points de rattachement.
7. Une fois vos points de contrôle affinés, recalculez vos ajustements à l'aide de l'outil Calculer l'ajustement de bloc.
8. Une fois la précision de l'ajustement acceptable, exécutez l'outil Appliquer l’ajustement de bloc pour appliquer l'ajustement à la mosaïque et aux images. Le géoréférencement de la mosaïque générée sera correct et optimisé.

La précision géométrique de la mosaïque peut encore être améliorée lorsque des données d'altitude haute résolution sont créées pour la solution d'ajustement. Les données d'altitude haute résolution peuvent être générées à partir de la mosaïque ajustée, comme l'indique la section Générer un DTM et un DSM ci-dessous.

Générer un nuage de points à partir d'une mosaïque

Un couple stéréoscopique d'images contient deux images de la même zone mais prises selon différents angles. Les points 3D peuvent être calculés à partir d'un couple stéréoscopique d'images en triangulant ces points d'appariement. La mosaïque qui est utilisée pour générer un nuage de points doit répondre à deux critères : la mosaïque a été corrigée géométriquement et la mosaïque doit comporter des couples stéréoscopiques établis à l'aide de l'outil Construire un modèle stéréo.

Si la mosaïque n'a pas été corrigée géométriquement, vous devez réaliser l'ajustement de bloc de groupe. Pour créer un couple stéréoscopique de qualité, les deux images doivent comporter une vaste zone de superposition et un angle d'intersection modéré. Si la superposition n'est pas suffisante ou si l'angle d'intersection est trop petit ou trop grand, la paire d'images n'est pas un couple stéréoscopique de qualité et elle doit être éliminée lors de la génération du modèle stéréoscopique.

Une fois la mosaïque prête, exécutez l'outil Générer un nuage de points pour créer le nuage de points en sortie. Les résultats sont enregistrés sous forme de dossier de fichiers LAS. Les fichiers LAS peuvent ensuite être utilisés en entrée pour générer un DSM ou un DTM ou pour créer un jeu de données LAS.

ArcGIS Desktop propose trois algorithmes pour générer un nuage de points :

• Correspondance de MNT optimisée (ETM, Enhanced Terrain Matching) : calcule rapidement en extrayant un nombre moindre de points d'entités, ce qui est utile pour une génération DTM rapide
• Correspondance semi-globale (SGM, Semi-Global Matching) : génère des points relativement denses avec beaucoup de détails, ce qui est idéal pour les zones urbaines dotées de bâtiments
• Correspondance semi-globale optimisée (ESGM, Enhanced SGM) : produit des tronçons de bâtiments nets en augmentant la capacité calculatoire

Vous trouverez ci-dessous deux produits de génération de nuages de points. L'image de gauche est une mosaïque ajustée. L'image de droite est un modèle de jeu de données LAS qui a été créé à partir de points LAS générés depuis la mosaïque.

Générer un DTM et d'un DSM

L'outil Générer un nuage de points génère des points 3D au format de fichier LAS à partir d'une mosaïque. Il peut servir à créer une surface : un DTM peut être créé en interpolant les points au sol ou un DSM peut être créé en interpolant tous les points.

La table de points de solution, qui est la sortie du calcul d'ajustement de bloc, permet également d'interpoler un DTM. Comme les points de solution ne sont pas aussi denses que le nuage de points LAS obtenu via l'outil Générer un nuage de points, les méthodes de triangulation ou par voisins naturels doivent être utilisées pour éviter de produire des pixels avec des informations manquantes.

Vous trouverez ci-dessous un DTM en sortie sur la gauche et un DSM ombré sur la droite.

Equilibrer les couleurs et réduire les raccords

Une fois la correction géométrique de la mosaïque terminée, deux techniques supplémentaires permettent d'optimiser l'apparence visuelle : équilibrer les couleurs des images et calculer les lignes de raccord sur la mosaïque.

L'équilibrage des couleurs est souvent nécessaire pour les images satellite, car les images en bandes sont souvent prises sur différents jours. Avant de procéder à l'équilibrage des couleurs, les statistiques et les histogrammes doivent d'abord être calculés pour chaque image de la mosaïque à l'aide de l'outil Construire des pyramides et des statistiques. Une fois les statistiques et les histogrammes générés, exécutez l'outil Equilibrer les couleurs de la mosaïque pour équilibrer les couleurs des images. En règle générale, la méthode Eclaircissement avec la surface de couleur Second ordre produit un bon résultat.

Les lignes de raccord sont des polygones qui permettent de définir les limites de mosaïquage et de résoudre les superpositions d'images. L'outil Générer les lignes de raccord offre des algorithmes communs pour calculer automatiquement les lignes de raccord.

• Radiométrie : dérive des lignes de raccord en fonction des valeurs de pixel à l'aide de l'algorithme du meilleur chemin sur une surface de coût
• Voronoi : partitionne les emprises d'image en fonction du diagramme de Voronoi d'une zone
• Disparité : détermine les lignes de raccord en utilisant les images de disparité des couples stéréoscopiques. Cet algorithme est utile pour le mosaïquage à grande échelle où la zone de mosaïquage contient des bâtiments

Pour réduire la complexité de calcul et sélectionner les images les plus appropriées, l'outil Calculer des mosaïques candidates doit être exécuté avant les opérations de génération des lignes de raccord et d'équilibrage des couleurs.

Ci-dessous se trouve un exemple de génération de ligne de raccord créée avec la méthode Disparité sur les images UAV.

Générer des produits d'orthocartographie

La dernière étape consiste à générer des produits ortho. ArcGIS Desktop propose des outils qui permettent de générer diverses formes de produits d'orthomosaïque en fonction de vos exigences.

• Si l'exigence consiste à effectuer le partage en tant que service d'imagerie, vous pouvez publier la mosaïque en tant que service d'imagerie.
• Si l'exigence consiste à effectuer le partage en tant que service de tuile ArcGIS Online, vous pouvez générer un cache de tuile et utiliser ce workflow de publication.
• SI l'exigence consiste à générer une mosaïque dans un format de fichier, utilisez l'outil Copier un raster pour générer la sortie en tant que fichier .tif ou .crf.
• Si l'exigence consiste à générer des tuiles d'images en fonction d'une taille de tuile définie par l'utilisateur, utilisez l'outil Fractionner un raster pour créer une série de tuiles à partir du jeu de données orthomosaic d'orthomosaïque.
• Si l'exigence consiste à générer des scènes d'images orthorectifiées, utilisez l'outil Exporter les éléments de mosaïque pour exporter chaque image au sein de la mosaïque.

Vous trouverez ci-dessous le résultat d'orthocartographie final, qui est une orthomosaïque stockée sous forme d'image TIFF.