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Technique utilisée dans la mesure d’une scène, la photogrammétrie connaît une popularité grandissante ces dernières années. En plus de la qualité de résultat, l’émergence des logiciels de calculs ainsi que des appareils volants y est pour quelque chose. Parmi les drones sur le marché, lequel choisir pour cette discipline ?

Quels drones pour la photogrammétrie ?

Il faut savoir qu’il existe 2 principaux types de drones à usage professionnel, pour les missions de captations photogrammétriques. Par ailleurs, on peut les catégoriser en 4 sous-groupes, selon les activités et les résultats recherchés :

• Les drones Multirotors pour la capture des surfaces inférieures à 100 ha ou complexes. Il s’agit des modèles tels que DJI Inspire, Phantom, MAvic ou DJI Matrice ;
• Les drones Multirotors lourds pour un résultat optimal de haute définition. Les appareils de type M600 PRo ou Freefly Alta peuvent être équipés de Lidars et sont munis de capteurs de 50 à 100 millions de pixels ;
• Les drones en forme d’aile fixe pour couvrir les grandes surfaces, hors zone peuplée. Les modèles de type ebee peuvent couvrir rapidement une grande surface grâce aux vols programmés performants ;
• L’avion, l’ULM ou l’hélicoptère pour des projets spécifiques. Ces méthodes restent les plus traditionnelles pour couvrir les grandes surfaces.

Les avantages de la photogrammétrie par drone

4 avantages viennent justifier l’importance de l’utilisation des drones dans la photogrammétrie.

La précision

La précision du procédé figure parmi les principaux avantages du drone dans la photogrammétrie. En effet, celle-ci s’avère particulièrement nette et exceptionnelle. Ce procédé assure des images de haute résolution, qu’importe la surface à scanner. Via l’intervention d’un drone, les professionnels peuvent dresser rapidement et facilement un registre complet des données d’un site. D’ailleurs, la photogrammétrie 3D permet de fournir des images de haute précision, à plus de centimètres de précision, haut en couleurs.

Le prix et le transport

En termes de prix, la photogrammétrie par drone est très abordable et accessible. D’ailleurs, un drone d’entrée de gamme peut déjà fournir des résultats convenables dans cette discipline. Ainsi, nul besoin de solliciter les services d’un pilote, d’un avion ou d’avoir recours à des équipements très chers comme des caméras. 

Outre ce prix, un drone est facile à déplacer. Grâce à sa légèreté, il peut se transporter dans un simple véhicule ou un camion.

La praticité

Avant l’arrivée des drones dans la photogrammétrie, on utilisait les procédés terrestres ainsi que la technologie Lidar pour le scan et la numérisation d’une surface. Bien que la photogrammétrie terrestre soit intéressante, cette méthode rencontre des lacunes dans certaines zones. 

Par ailleurs, le recours aux drones est nettement plus intéressant que la technologie Lidar. En effet, cette dernière n’est efficace que pour une tâche précise, en plus de fournir une qualité d’images inférieure.

La facilité d’utilisation

La photogrammétrie est désormais démocratisée grâce au drone. La discipline est en effet accessible au grand public et aux novices. En utilisant des drones, cette méthode ne demande plus beaucoup d’efforts ni de connaissances techniques très avancées. 

Fortement utilisée dans le secteur du bâtiment et de la construction, la photogrammétrie devient de plus en plus populaire. Cette technique consiste à faire des mesures sur une scène en se basant sur des photographies acquises du terrain sur différents points de vue. Le drone se transforme ainsi en un appareil incontournable pour l’aboutissement de cette méthode. Avant d’opter pour un tel ou tel type, il est nécessaire de prendre en compte les divers critères de choix.

Quel capteur choisir ?

Il faut savoir que la base de la photogrammétrie réside dans la définition des photographies. Ainsi, le choix du capteur prend tout son sens. Dans le domaine, la résolution du sol, aussi appelée Ground Sample Distance (GSD) est exprimée en centimètre. Notons que le GSD varie les caractéristiques du capteur embarqué. Il s’agit entre autres de la taille du capteur, de la résolution du pixel, de la focale de l’objectif et de la distance entre l’objet à reconstituer et le capteur. Ainsi, plus la résolution au sol est faible, plus elle est fine. Afin d’obtenir une meilleure qualité de restitution, il est recommandé d’opter pour les grands capteurs, pour lesquels le nombre de pixels est important. On parle ainsi d’un capteur de 20MP 1 pouce minimum, et d’une focale fixe à variable. 

Autre point important pour le capteur, le mode d’obturation ou shutter, qui est au nombre de deux.

Un capteur équipé d’un rolling shutter enregistre les pixels ligne par ligne, à l’instar d’un scanner. L’inconvénient, c’est que cette technique déforme l’image dès lors que le drone est en mouvement. 

D’autres capteurs sont munis de global shutter, qui sont plus haut de gamme. Ce procédé permet d’enregistrer en simultanée tous les pixels, ce qui permet une prise de vue plus nette et non déformée.

Comment procéder à la géolocalisation du relevé ?

La plupart des drones sont désormais pourvus de capteur intégré. Ces derniers servent dans la géolocalisation automatique des clichés. Ainsi, toutes les coordonnées sont directement enregistrées. 

Grâce au récepteur GNSS dont ils sont équipés, les drones assurent une totale précision ( à quelques mètres près) ainsi qu’une précision relative de quelques dizaines de centimètres pour un résultat optimal. Toutefois, cela n’empêche d’atteindre une précision centimétrique via la dispersion des points de calage sur le terrain. 

Il faut savoir que la géolocalisation des clichés peut rencontrer certains problèmes, comme la couverture GPS en intérieur ou l’absence de capteur chez certains drones. Ainsi, le temps de calcul de corrélation est plus fastidieux. Il est également indispensable, voire obligatoire, d’avoir recours à un GCPs afin d’obtenir un modèle 3D. Force est toutefois de mentionner que ce procédé n’est pas l’idéal pour le relevé de zones très uniformes. En effet, le logiciel risque de ne pas trouver assez de points de liaisons entre paires d’images pour la restitution.

Récemment, on retrouve de plus en plus du système GNSS RTK (Real Time Kinematic) chez les drones dédiés à la photogrammétrie. On peut entre autres citer les modèles Leica Aibot, DJI Phantom 4 RTK, Yuneec H520 RTK et DJI Matrice 300RTK. 

D’autres caractéristiques viennent s’ajouter au capteur pour optimiser la localisation comme une nacelle stabilisée ou encore une synchronisation des prises de vues. 

Quel est le domaine d’application de la mission ?

Le choix de l’appareil est entre autres influencé par le métier et le genre de relevé recherché. Il faut ainsi déterminer en premier lieu, dans quel scénario on va opérer : 

• opter pour un drone homologué S1 et S2 pour des missions hors agglomération (relevés de routes, carrière, champs…) ;
• privilégier les drones S3, dont le poids est inférieur à 8kg , pour des missions en agglomération.

Le domaine topographique poursuit son élan technologique, avec les divers moyens à sa disposition pour s’améliorer en continu. Les levées topographiques par drone sont les plus récentes sur le marché. Les détails. 

Quid sur la photogrammétrie par drone

On entend par photogrammétrie une méthode de scan 3D à partir de photographies d’un objet ou d’un environnement réel. Pour ce faire, il faudra réaliser une multitude d’images en 3D, sous différents angles. Elles seront ensuite assemblées pour avoir une projection en relief de la zone scannée.

Grâce au fulgurant essor des drones, la technique connaît une ère nouvelle ! Il est en effet désormais possible de produire un plus important volume de données 3D géoréférencées, en un laps de temps court et avec des prises de vue complexes. C’est ainsi que la photogrammétrie aérienne est devenue un témoin de performance et d’innovation dans le domaine. 

Quels sont les domaines d’application de la photogrammétrie ?

Il existe trois domaines d’application à la photogrammétrie : 

• L’orthophotographie

La photophogotraphie est une technique qui consiste à assembler des images qui représentent un visuel précis d’une large zone géographique.

• La volumétrie

Cette technique est surtout utilisée dans le secteur minier, la gestion du territoire ou les carrières. La volumétrie permet de créer un modèle 3D d’un terrain et d’effectuer des mesures volumétriques de matériaux. 

• La modélisation 3D 

Cette application permet de reproduire des images de synthèse en 3 dimensions, à partir d’une scène photographiée. 

Quelques questions d’usage concernant la photogrammétrie

Quel est le nombre de clichés par m² ?

Le nombre de prises de vues zénithales par mètre carré n’est pas forcément quantifiable avec précision. En effet, cette donnée dépend du projet, notamment de la définition recherchée de l’orthophoto ainsi que l’équipement déployé. 

Généralement, plus le vol est en hauteur, moins on obtient de clichés par mètre carré. Par ailleurs, il existe d’autres facteurs à prendre en compte, comme la focale, le nombre de pixels ou encore le taux de recouvrement entre les passes. 

Est-il possible de réaliser un plan topographique par photogrammétrie ?

La question est répondue par la positive. D’ailleurs, les unités de mesure comme l’équidistance ou encore la méthode de lissage ainsi que la représentation des charges peuvent se faire sur-mesure.

Avec le nombre important de données enregistrées au vol, il est à noter que les courbes de niveaux ne sont pas déduites. Ainsi, la photogrammétrie par drone assure une précision et une qualité optimale pour chaque point relevé tous les 10 cm. Cela vaut aussi bien pour des surfaces verticales qu’horizontales. 

Toutefois, force est de mentionner qu’aucun logiciel ne peut remplacer l’humain. Ainsi, jusqu’ici réaliser un plan topo 100% fiable automatisé n’est pas encore envisageable. 

Par ailleurs, la photogrammétrie peut également être utilisée dans l’analyse du relief dans un but d’études hydrauliques. Les outils d’analyse déployés pour ce faire garantissent l’obtention de plusieurs données importantes, dont : 

• les distances d’écoulement d’eau ; 
• la détermination des bassins versants ;
• la simulation des zones inondées ; 
• l’identification des points hauts et bas.

En 1849, Aimé Laussedat, un officier de l’armée française, réalise pour la première fois la photogrammétrie sur la façade de l’Hôtel des Invalides. Il utilise les photos des paysages pour observer et pour mesurer le terrain. Outre cet officier considéré comme père de la photogrammétrie, Félix Tournachon, aéronaute et photographe français, est également un personnage clé de ce domaine. Dans les années 1860, il monte en ballon en vue de photographier plusieurs villes, dont Paris. Tournachon a déjà saisi l’intérêt de la photographie aérienne dans les domaines civils et militaires.

La France est donc le berceau de la photogrammétrie qui s’est développée et étendue en Allemagne. Avec l’essor de l’aviation, la photographie aérienne prend son envol durant la période de l’entre-deux-guerres. La photogrammétrie est ensuite utilisée pour établir des cartes de pays entiers. L’imagerie spatiale à haute résolution donne encore une nouvelle dimension à ce domaine. Actuellement, divers moyens et appareils comme les drones servent à la photogrammétrie.

Principe de la photogrammétrie

La photogrammétrie est une technique destinée à recréer la forme d’un objet à partir des photos prises sous plusieurs angles. Le modèle 3D obtenu représente une copie exacte de l’original. Plusieurs secteurs font recours à cette méthode se servant des photographies.

La technique de la photogrammétrie s’inspire en partie du regard humain qui voit en relief, car deux yeux fonctionnent. En observant un objet à partir de différents points de vue, mais de manière simultanée, une appréciation tridimensionnelle de la surface considérée est possible. Ce principe nommé stéréoscopie joue un rôle considérable dans la photogrammétrie. Plus les points de vue se multiplient, meilleur sera le résultat. Les clichés obtenus passent par la suite sous traitement. Le logiciel utilisé compare les photos afin d’identifier la position des points homologues. Il conçoit un modèle 3D en alignant ces points avec la position initiale des appareils utilisés lors de la prise de vue. La version non-texturée du modèle est issue de ce stade. Afin de finaliser la modélisation, l’outil applique une peau sur l’objet à partir des images originales.

Les différentes étapes de modélisation 3D par photogrammétrie

Pour obtenir un modèle 3D par photogrammétrie, l’équipe passe par quelques étapes incontournables.

• Le géoréférencement

La photogrammétrie exige la clarification des coordonnées géographiques relatives au terrain d’intervention. Cette étape consiste à appliquer un emplacement spatial à une entité cartographique. Pour modéliser par exemple un bâtiment, il faut effectuer un relevé topographique de quelques points. Une canne GNSS ou GPS topographique associée à un réseau révèle les coordonnées des points au centimètre près.

• Les prises de vue

Le drone ou les autres appareils utilisés pour les prises de vue captent des images en grande quantité sous différents angles. Pour ce faire, ils adoptent un plan de vol automatique. La captation vise un taux de recouvrement de 60 à 90 %. Ainsi, le logiciel de traitement utilisé pourrait déterminer les points communs entre les images afin de concevoir le modèle 3D.

• Le post traitement

Cette étape se répartit en quelques tâches. D’abord, pour établir la base du modèle, les cibles géoréférencées sont intégrées dans le logiciel et forment le nuage de points. Ce dernier peut être densifié et sert à générer le maillage de base pour le modèle. La dernière partie du post traitement correspond à l’ajout des orthophotos, des modèles numériques de terrain (MNT) ou des modèles numériques de surface (MNS). Elle apporte donc du relief aux images traitées.

• Le rendu obtenu

Les images de courbes de niveau extraites se présentent sous format .pdf, .shp ou .dxf. Elles peuvent être utilisées pour de nombreuses finalités comme le plan de rénovation du bâtiment.

Quels sont les domaines d’application ?

La topographie, le bâtiment et l’architecture, la cartographie, la géologie et divers autres domaines bénéficient de cette technique.

La photogrammétrie terrestre concerne divers types de relevés à prises de vues sur terre. Elle s’applique par exemple à la métrologie de pièces industrielles et aux travaux d’architecture. Pour couvrir les territoires plus étendus, il faut passer à la photogrammétrie aérienne. Cette technique se sert de caméras embarquées dans des avions, des drones ou des images spatiales des satellites. La photogrammétrie subaquatique, quant à elle, s’applique en milieu subaquatique ou sous-marin. Elle convient en milieux difficiles étant donné la simplicité de la technique et la légèreté du matériel.

Des logiciels de photogrammétrie

Plusieurs types de logiciels s’offrent à la disposition des professionnels de photogrammétrie. Reality Capture, Autodesk Remake, Agisoft Metashape… figurent parmi les plus connus.

• Reality Capture

Ce logiciel se distingue par sa rapidité de traitement et la qualité des livrables. Il propose des outils performants, qui nécessitent en conséquence un ordinateur approprié. Le PC d’installation doit être au moins équipé de mémoire vive en grande quantité, de disques durs à forte capacité et de carte graphique performante. Reality Capture permet de combiner la photogrammétrie avec la lasergrammétrie. Dans ce cas, le modèle 3D prend forme avec les nuages de points du scanner laser 3D.

• Autodesk Remake

Ce logiciel propose divers outils pertinents, tels que le remodelage, le géoréférencement et la mise à l’échelle. Il permet une décimation qui consiste à alléger les modèles lourds en diminuant le nombre de faces. Autodesk Remake se distingue par sa capacité à calculer les points en mode Cloud. La procédure de traitement ne se réalise donc pas sur le PC de l’usager. Une fois arrivées sur les serveurs du logiciel, les photos passent par toutes les étapes avant d’être disponibles en téléchargement. Grâce à la possibilité d’export dans différents formats, les livrables conviennent aux logiciels de BIM.

• Agisoft Metashape

Ce logiciel anciennement connu sous l’appellation Photoscan rivalise bien Reality Capture, malgré son temps de traitement plus long et sa précision moindre. Il est optimisé pour les systèmes multi-GPU et les processeurs multi-cœurs. Une option de traitement en Cloud ajoute de la valeur à Agisoft Metashape 1.5.

Des limites liées à la photogrammétrie

Comme cette technique repose sur l’image, elle tient largement compte de l’apparence des objets. Toutefois, les surfaces photographiées adoptent une apparence variable, tel un miroir selon les angles de vue.

La photogrammétrie présente également des limites en cas de scènes en mouvement. À titre de rappel, elle détecte des points identiques avec divers angles de vue capturés à des instants différents. Sur une rue, les objets en mouvement conduisent à un modèle de faible qualité. 

Comme l’Homme est un être visuel : il communique aisément à partir de ses yeux et de son langage corporel. Conséquemment, il a besoin de plusieurs repères pour faciliter sa vie et ses activités quotidiennes : une carte pour savoir où se rendre, une voiture pour se déplacer, etc. Tous ces éléments sont soumis à une retranscription numérique qui permet, aujourd’hui, de visualiser à l’avance l’état d’une zone, d’un bâtiment ou d’un objet. Ils sont ensuite transférés sur Internet et ils deviennent accessibles au public. La clé de cette retranscription est la photogrammétrie. 

Qu’est-ce que la photogrammétrie ?

La photogrammétrie est issue de deux mots clés : « photo », dont l’origine est le dessin, et « grammétrie », qui signifie la mesure. C’est une technique qui permet de connaître les dimensions et le volume des objets, ainsi que des espaces. Cette discipline est souvent utilisée dans les modélisations, toutefois, elle a été utilisée depuis le milieu du XIXe siècle. En effet, Aimé Laussedat fut le premier officier de l’armée française à observer les terrains. Après cela, elle est reprise par Félix Tournachon en 1860. Ce français a donc pu photographier Paris et d’autres villes, donnant ainsi plus d’intérêt à la photographie aérienne. Après avoir été développée en Allemagne pour la guerre, la photogrammétrie est ensuite devenue un outil indispensable à la création de cartes. Elle permet ainsi de faire des mesures et des calculs sur des terrains particuliers en utilisant des images acquises séparément. 

Principes de la photogrammétrie

Avant de connaître les différents domaines d’application de la photogrammétrie, il est recommandé de comprendre les différentes étapes qui concernent cette discipline. Pour ce faire, on va revenir vers nos cours de géométrie et de physique. Tout d’abord, il faut comprendre que la photogrammétrie se fonde sur la version homothétie et la perception de l’œil humain. Cela veut dire que pour faire les calculs à partir de photos, les opérateurs de photogrammétrie se chargeront de mesurer et de retranscrire les dimensions d’un objet, comme s’il avait été observé à l’œil nu. En effet, les yeux sont capables de voir le relief sur les terrains. Par contre, avec une observation stéréoscopique, la taille originale de l’objet est modifiée.

Pour combler cette différence, les opérateurs font usage d’un point particulier, appelé “ballonnet”. Ce dernier servira de repère pour effectuer les mesures et restituer l’image à ses dimensions originales vues à l’œil nu. Aussi, pour modifier cette image de taille ou de phase différente, les logiciels de restitution font appel aux équations de colinéarité pour les zones ou les objets non linéaires. Elle permet de restituer des images exactes, tant que la qualité de ces dernières est optimale. Pour modifier l’orientation des images, les opérateurs font appel à l’équation de coplanarité. Cette technique de calcul fonctionne mieux lorsque l’on sait dans quelles positions et à quelle distance les photos ont été prises. Elle est souvent nécessaire dans l’aménagement, l’urbanisme, l’archéologie et l’environnement. 

Les instruments utilisés pour le photogrammétrie

Auparavant, les photos étaient prises par avions : ils transportaient des appareils portables qui effectuaient les prises au cours du vol. Par contre, pour faciliter la restitution de l’image, il fallait beaucoup de luminosité, car les prises ne pouvaient pas prendre trop de temps de pose et elles devaient avoir une bonne qualité. Quant aux restituteurs analytiques, ils supportaient de larges données et prenaient donc plus de temps à traiter les images. Ce fut vers la fin du XXe siècle que les prises sont devenues plus précises : en effet, en 1990, l’institut national de l’information géographique et forestière ou IGN proposa des travaux pionniers qui ont introduit les images numériques et les caméras au nombre élevé de pixels.

Au fur et à mesure, les appareils ont évolué considérablement, car, aujourd’hui, ces images sont prises avec des appareils photo reflex, tel que le Canon EOS 5D. Il en fut de même pour les appareils de restitution qui effectuent les calculs : vers la fin des années 1990, les restituteurs analytiques fonctionnent exclusivement avec les ordinateurs.  Enfin, à l’arrivée des drones, les prises de photos aériennes sont devenues plus précises et détaillées, offrant ainsi la possibilité de restituer les images aisément et rapidement. 

Les domaines d’applications de la photogrammétrie

L’orthophotographie pour la géographie

En géolocalisation et pour délimiter une zone ou un terrain choisi, la photogrammétrie intervient dans presque tous les domaines qui nécessitent des représentations visuelles. De ce fait, elle se divise en plusieurs divisions, dont l’orthophotographie. Cette sous-discipline nécessite des prises de vues aériennes. Aussi, elles se font en trois étapes : la correction de l’inclinaison de la photo, l’aplatissement du terrain (parfois les prises contiennent des zones légèrement en pente) et la correction des déformations optiques. Pour prendre les photos, il est recommandé de prendre deux repères ou deux points avec un GPS centimétrique et un GPS RTK (Real Time Kinematic).

La volumétrie pour le terrassement

Comme indiqué dans le nom de la sous-discipline, la volumétrie permet de calculer la profondeur ou l’espace compris entre deux plans ou deux points. Elle est souvent utilisée par les terrassiers, qui sont des personnes qui se chargent de réaliser des aménagements. En effet, pour pouvoir déplacer des quantités importantes de matériaux issus du sol, il faut avoir une idée de la texture, de la qualité et des dimensions que ces matériaux prennent. La photogrammétrie est ainsi une technique de calculs rapides, efficaces et polyvalentes pour les agents de terrain, comme les architectes ou les archéologues. 

La modélisation 3D pour l’animation

La modélisation 3D est la sous-discipline de la photogrammétrie en raison de son étude de texture à travers les nuages de points (cette technique est surtout utilisée avec l’aide des drones). Ces derniers sont nécessaires à la délimitation des objets, permettant ainsi de créer des images plus précises et plus détaillées. Elle consiste aussi à modifier des maillages sur un logiciel qui permet de donner des images à haute définition. Par ailleurs, cette technique permet de créer des personnages et des bâtiments dans les jeux vidéos ou pour les films d’animation, dont les modélisations numériques de surface et les modélisations numériques de terrain. Quelques exemples de logiciels qui sont en mesure de réaliser des modèles 3D sont Blender, 3DsMax ou C4D. Comment utiliser la photogrammétrie dans cette sous-discipline ? Les prises de photos deviennent des références pour les opérateurs. 

La métrologie industrielle

La métrologie est la science de la mesure, tandis que la métrologie industrielle est la science de la mesure des produits industriels : les entreprises font usage de cette discipline lors des inspections de contrôle qualité. Par exemple, les entreprises qui fabriquent des voitures ont besoin de vérifier les dimensions exactes de leurs produits. Il faut que les designers s’assurent que le modèle créé respecte à la fois les normes industrielles et les attentes des consommateurs. Conséquemment, les opérateurs vérifient que chaque pièce correspond aux designs et aux calculs. On peut aussi en déduire que la métrologie industrielle et la modélisation 3D vont de pair en pair et demandent l’intervention de la photogrammétrie, car elles nécessitent des observations visuelles et numériques. Ces dernières sont des éléments de mesure utilisés en photogrammétrie. Par ailleurs, plus les dimensions sont précises, plus les calculs sont exacts, offrant ainsi un diagnostic correct concernant le produit. 

Pour conclure la photogrammétrie est une science qui implique l’observation à l’œil nu et numérique dans le but de mesurer, restituer, retranscrire ou tester. Cette discipline intervient dans plusieurs domaines et elle facilite la vie des Hommes au quotidien grâce aux calculs et aux données qu’elles traitent. Accompagnée d’instruments hauts de gamme, elle permet de représenter des objets ou des zones aussi bien que l’œil nu de l’être humain.