Une chaîne de traitement automatique pour l'estimation de la … · par drone...

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

Jean-Marc GilliotJoël Michelin

Emmanuelle Vaudour

UMR AgroParisTech INRA Environnement et Grandes CulturesGrignon

Une chaîne de traitement automatique pour l'estimation de la rugosité des sols agricoles par photogrammétrie 3D

à partir de photographies prises sans contraintespour le suivi radiométrique des sols

11e Journées d'étude des sols 2012 Versailles-Gr ignon

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

PLAN

INTRODUCTION

MATERIEL ET METHODES

RESULTATS

CONCLUSION

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

INTRODUCTION

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

Estimation de la teneur en carbone organique de l'horizon de surface des sols agricoles par des mesures spectroradiométriques au champ

SOL

Prédiction CO

Régression PLSR

Sol + sombre

Images satellites

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

Placette de mesure 90cm x 90cm

Surface mesurée Ø ~ 35 cm

Réflectance du sol = f( facteurs intrinsèques, facteurs extrinsèques)

Intrinsèques = composition physico-chimique du sol (CO …)Extrinsèques = humidité, rugosité.

Mars 2012 PVPA

6 répétition par placette

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

Effet de la rugosité sur la mesure radiométrique : les ombres portées

Photo à l’ombrePhoto au soleil

Mesurer la rugosité du sol pour interpréter et corrigerles mesures spectrales

Rugosité sol plus sombre (ombres portées)

CO sol plus sombre

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

OBJECTIF:

Estimer la rugosité sur la zone de mesure radiométrique

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

MATERIELS ET METHODES

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

Région d’étude

• Constituée de 25 communes

• A 30 km à l’ouest de Paris,

• Environ 22000 ha, dont 10500 ha agricoles.

• Intense activité agricole

Plaine de Versailles et Plateau des Alluets (PVPA)

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

Estimation de la rugosité des sols par un profilomètre laser campagne de mesures 2010

Prototype de profilomètre laser développé en 2010 :

à partir d’un distance mètre laser (précision 2 mm)

Rayon laser

Inconvénients : - limite de la précision = parties mécaniques- temps de mesure long- seulement un profil = faible représentativité spatiale

Pocket PC

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

Méthode rugosimètre laser trop longue sur le terrain ne permettait pas de mesurer tt les placettes.

Recherche d’une méthode de mesure de la rugosité plus rapide sur le terrain : Photogrammétrie 3D

Méthode déjà ancienne : STEREO-PHOTOGRAPHIE

Programme National de Télédétection Spatial(1996-1997)INRA-Grignon (Paul Boissard) / l’ENSEA (Ecole Nationale Supérieure d’Electronique et ses Applications)

[Rabin, 1997] B. Rabin, M. Zribi, V. Ciarletti, P. Boissard , O. Taconet and M. Chapron,

Characterisation of the Soil Structure and Microwave Backscattering Based on Numerical Three Dimensional Surface Representation, Physical Measurements and Signatures in Remote Sensing, Courchevel, 7-10 Avril 1997, France.

Mire de calibration

2 appareils photos

placette Couple stéréophoto. IGN

Conditions géométriques contrôlées

Photographies aériennes

Scanner laser 3DTrop onéreux

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

Il existe aujourd'hui des logiciels de photogrammétrie presque sans contrainte géométrique pour les prises de vue :

- Photosynth de Microsoft

- Bundler

- MicMac de l’IGN (Marc Pierrot Desseilligny)

On a choisit bunder -> plus facile a utiliser dans des scripts pour automatiser

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

La photogrammétrie est une technique qui consiste à effectuer des mesures dans une scène à partir d’images, en utilisant la parallaxe obtenue entre des photographies acquises selon des points de vue différents

Point de vue 1

Point de vue 2

objet

fond

Photo1 depuis pt de vue 1

Photo2 depuis pt de vue 2

Décalageparallaxe

Méthode photogrammétrique campagne 2011/2012

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

Appariement de positions entre 2 images d’après couleur et forme des « objets »

Il faut éviter de changer les conditions (luminosité , ombres) entre les 2 prises de vue

On met la placette à l’ombre d’un parasolPendant la série de prise de vues

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

Sol placette mesurée

Cadre = repère 3D

Positions et dimensions connuesdes plots de référence

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

Une série de photos prises sous différents angles

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

+ 5 dans le plan vue de dessus

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

La chaine de traitements logiciels

13 photos.

Traitement photogrammétrique

Nuage de points 3D (x,y,z) + couleur

Recalage géométrique par rapport au cadreposition et échelle : régression linéaire

Nuage de points 3D à l’échelle

Projection et interpolation sur une grille 2D

Micro MNA sous SIG

Calcul des indices de rugosité

Base de données

Windows 7 64 bitspour disposer de plus de RAM

Résolution limitée à 2560x1920Temps de calcul

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

Nuage de points 3D sous le logiciel MESHLAB

Point x,y,z + couleur

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

Une chaine de traitementSemi-automatique

campagne 2011

La prise des points d’amerest manuelle

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

Une chaine de traitementEntièrement automatique

campagne 2012

Automatisation de la prise des points d’amer

Détection automatique des plots par la couleur

Le centroïde des points rouges (par ex) => x=517, y=417, z=34

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

1 répertoire par placette= 13 images

Les scripts : python, R, ArcGis

Itération sur les répertoires

Sortie globale : table des indices de rugosité

Sorties pour chaque placette

26a-6-1.ply nuage 3D

Micro M.N.A.

Graphiques JPG

Temps de calcul ~ 20 min / placette

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

Les indices de rugosité calculés :

IC% = (1 – L1/L2)*100

Pourcentage de raccourcissement de la chaineValeur élevée = sol rugueux

L1

L2

� Indice de tortuosité la chaine

� Zmin, Zmax, Zmoyen, Zsd

� Fonction de corrélation -> Longueur de corrélation

� Ombrage = proportion de la placette couverte par des ombres portées

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

RESULTATS

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

Modèle numérique 3D des mottesRésolution 1 à 2 mm en X,Y et en Z

mm

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

…

1 répertoire par placette = 13 images

180 placettes

2340 photo.

Campagne 2011 Campagne 2012

En cours

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

Validation de la précision des mesures avec des maquettes 3D :hémisphères en polystyrène de taille et de position connue

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

photos

Modèles numériques 3D

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

Transect de contrôle

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

5 hémisphères de 10 cm de diamètre

46,3 cm36,3cm

Surface théorique :

S = 46,3 x 36,3 – 5 x (PI x 52)+ 5 x ((4 x PI x 52) / 2 )

= 2073.4 cm 2

Calcul de la pente: a

Modèle photogrammétrique

S : Pixel = 1 mm à plat

Cos(a) = S / Sp

Sp = S / cos(a) = 1 / cos(a)

Surface totale mesurée = Σ Sp2077.4 cm 2

a

Estimation de la précision de mesure de la surface

Erreur de 4 cm2

0.19% d’erreur

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

SOL

Conclusion perspective de la méthode

Prise en compte des effets de la rugosité sur les mesures radiométriquesModèle de correction ?

UMR EGC Environnement et Grandes Cultures 11e Journées d'étude des sols 2012 Versaille s-Grignon

Surface plus grande

mat

Télécommande« live view »

Toute une parcellepar drone (stéréo-photo)Collaboration AirInov

Cf travaux CEMAGREF / IGN

Utilisation d’imagerieSatellite radarGénéraliser spatialement la rugositéPrise de vue le 13/03/2012Nicolas BaghdadiCEMAGREF UMR TETISMaison de la Télédétection

Conclusion perspective de la méthode