Brevet FR2777376A1 — publié le 19991015

PROCEDE DE PRODUCTION DE DONNEES CARTOGRAPHIQUES EN ZONE URBAINE La présente invention concerne les procédés de production de données cartographiques en trois dimensions, et notamment d'ortho-images et de modèles numériques d'élévation (ou MNE) à partir d'au moins n = 3 images à deux dimensions d'une scène, vue sous n angles différents. L'une des difficultés rencontrée pour la production d'un modèle numérique de terrain en zone urbaine est due à l'importance des dénivelés brutaux, à l'existence de faces cachées d'immeubles et à l'occultation de portions du terrain naturel, différentes entre les images. Des études théoriques visant à concevoir un procédé de production automatique de modèles numériques de terrain en zone urbaine ont été effectués. En particulier, l'article de Gabet et autres "Construction Automatique de Modèles Numéri- ques de Terrain à Haute Résolution en Zone Urbaine" dans Bul. SFPT nO 135 (1994-3), auquel on pourra se reporter, tente de concilier une précision satisfaisante et l'absence d'erreurs en utilisant pour chaque point au sol de nombreux couples d'images ayant des écarts angulaires différents. D'après cet article, il est nécessaire d'utiliser à la fois des recouvre- ments importants entre images dans une direction déterminé et plusieurs rapports B/H pour les différents couples et de fusionner les modèles numériques d'élévation obtenus chaque fois à partir d'un couple d'images. La complexité de cette approche a conduit dans la pratique à conserver la stéréo-restitution manuelle sur des stations photogrammétriques dans le cas des zones urbaines. Cette solution exige une main d'oeuvre importante et très qualifiée et du matériel spécifique coûteux. Elle ne permet pas de produire une image complètement corrigée des déforma- tions de la perspective et permettant de restituer les parties occultées sur une image ou les deux images du couple. De plus, cette solution se prête mal au traitement des vues prises depuis un satellite, même en orbite basse. La présente invention vise à fournir un procédé répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique pour la réalisation de données cartographiques en zones urbaines. L'invention propose dans ce but un procédé suivant lequel: - on prend des vues de la zone urbaine telles que chaque point au sol soit vu dans au moins trois images, chaque image étant prise sous une incidence moyenne par rapport à la verticale ne dépassant pas 20 , - on constitue des couples d'images correspondant à des directions de visée ayant des écarts angulaires compris entre et 25 , les couples étant prévus pour constituer des bases dans au moins deux orientations différentes - on modélise la géométrie des vues, - on forme des cartes de disparité correspondant chacune à un couple, par intercorrélation, et on en déduit des MNE sous forme de l'élévation z pour chaque point de coordonnées x y, - on fusionne les MNE en retenant pour tout point l'élévation correspondant au plan approximant au mieux l'ensemble des mesures altimétriques environnantes. - et on en déduit une ortho-image. Les termes "chaque point au sol est vu dans au moins trois images" doivent être interprétés comme indiquant que le point du sol est présent dans au moins trois images, mais peut être masqué par un obstacle sur une d'elles. Le modèle numérique d'élévation final et l'ortho-image sont avantageusement utilisés comme base de départ pour une seconde phase du procédé, qui cette fois est réalisée de façon manuelle, permettant d'arriver à une représentation corrigée et simplifiée directement utilisable pour des tracés de profil. Cette seconde phase peut être exécutée sur une console graphique standard, utilisée pour une édition manuelle par un opérateur qui n'a pas besoin d'être très qualifié, puisque son rôle se limite à détourer, à l'aide d'une souris ou d'un autre appareil de désignation, les superstructures seules visibles sur l'ortho-image. Cette seconde phase est avantageusement effectuée en représentant sur la console une hypso-image, constituée par l'ortho-image à laquelle on a ajouté, sur les différentes surfaces, une couleur fonction de l'altitude. La variation radiométrique, c'est à dire la brillance, de chaque point est traduite par une luminance (valeur de gris) particulière sur l'écran de la console et permet de localiser les contours. Une telle hypso-image facilite encore le travail de l'opéra- teur. Le procédé en deux étapes ci-dessus permet d'utiliser à la fois la capacité des ordinateurs à traiter un grand volume de données et la qualité d'interprétation de l'opérateur humain, dont la charge de travail devient très réduite mais dont l'intervention augmente la qualité du produit final. Ce produit final peut notamment se presenter sous forme d'un modèle numérique de terrain corrigé ou sous forme vectoriel- le. Une mise en oeuvre efficace du procédé suivant l'inven- tion implique de respecter des conditions dans la prise de vues. Ces contraintes sont acceptables dans la quasi-totalité des cas sans inconvénient important. Dans le cas de prises de vues aériennes, l'altitude de vol, la focale et l'espacement des prises de vues seront choisis en fonction de la résolution souhaitée. Généralement, l'altitude sera comprise entre 1000 et 4000 m et la focale entre 100 et 400 mm. Pour une résolution finale l'ortho-image de 50 cm et du MNE de 1 mètre, on pourra utiliser notamment une focale de 152 mm et une altitude par rapport au sol de 3000 mètres, avec un taux de recouvrement entre images successives d'au moins 80 % dans deux directions orthogo- nales. Un recouvrement longitudinal de 80 % environ et un recouvrement transversal de 80 % donnent généralement de bons résultats. Ce résultat peut être atteint avec des passages parallè- les rapprochés de l'avion lorsqu'il n'est équipé que pour des prises de vue dans le plan vertical. Le recalage des images les unes par rapport aux autres peut s'effectuer au cours d'une étape préliminaire, en utilisant notamment des points caractéristiques, points d'appui ou points homogues, proches les uns des autres et faciles à identifier dans le cas d'une zone urbaine. Dans le cas de prises de vue par satellite, le procédé utilise avantageusement l'agilité des nouveaux satellites destinés à l'observation terrestre par télescope en orbite basse; le télescope est fixé sur le corps du satellite mais l'agilité de ce dernier permet de changer l'orientation par action sur une roue d'inertie, avec une période de va et vient de quelques minutes. Ce mouvement de va et vient permet, sur une même orbite du satellite, de prendre plu- sieurs images consécutives de la même zone, avec des angles de pointage vers l'avant lorsque le satellite approche de la zone, perpendiculairement au plan de l'orbite, puis vers l'arrière lorsque le satellite s'éloigne de la zone. L'image acquise perpendiculairement au plan l'orbite (image quasi- nadir) donne pour cette orbite la visée la plus verticale possible de la zone observée. Les autres images utilisées sont une visée avant et une visée arrière, suivant que le satellite se rapproche ou s'éloigne de la zone d'intérêt. On obtient ainsi au moins 3 vues de la même zone acquises sur la même orbite. La composante angulaire de l'angle de prise de vue propice au procédé est de 15 à 20 vers l'avant pour la vue avant, 0 pour la vue quasi-nadir, et de 15 à 20 vers l'arrière pour la vue arrière. La combinaison de deux orbites successives permet d'augmenter encore le nombre de vues de la même zone, un écart angulaire de 20 entre deux plans oribtaux permet de créer ainsi au moins 6 vues avec une variété importante d'angles de prise de vue. Il faut relever que l'utilisation d'un écart angulaire faible au sein d'un couple stéréoscopique va à l'encontre des idées habituelles, selon lesquelles un écart important est nécessaire pour obtenir une précision suffisante. Cette notion de précision ponctuelle n'est plus pertinente en environnement urbain. Dans ce contexte, la complexité des surfaces est telle qu'une représentation simplifiée sous la forme de facettes prismatiques est nécessaire. Le calcul d'une facette résulte alors de la contribution d'un grand nombre de mesures ponctuelles, ce qui améliore grandement la précision finale. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier la réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure 1 montre quelques-unes des images successives de recouvrement d'une zone, en vue de constituer un MNE; - la figure 2 montre l'incidence maximale sous laquelle doit être vue une zone photographiée; - la figure 3 montre schématiquement l'orbite d'un satellite en orbite basse( en tirets), utilisable pour mettre en oeuvre l'invention. Pour déterminer le MNE d'une zone urbaine à partir d'images prises d'avion, on utilisera, pour chaque point au sol, au moins deux couples d'images correspondant à des lignes de base d'orientations différentes. La figure 1 montre des images successives 10, 10a, lOb, 10c, etc... échelonnées dans le sens f de circulation du porteur et ayant un recou- vrement entre images successives d'environ 80%. Chacune des images, telle que 10, sera prise de façon que chaque point soit vu dans au moins un couple sous une incidence faible par rapport à la verticale. Dans la pratique, cela conduit généralement à une prise de vue telle que chaque point soit vu au moins deux fois sous une incidence a par rapport à la verticale qui ne dépasse pas 20 . Deux images successives, telles que 10 et 10a, seront prises à une hauteur telle que le rapport B/H entre la distance des deux points de visée et la hauteur ne dépasse pas tg 200. Au cours d'un second passage, les images telles que 10aa ont un recouvrement d'au moins 60% avec les images du premier passage. Les images peuvent ensuite être traitées, si nécessaire, pour rendre les épipolaires parallèles et égales (et confon- dues avec les lignes dans le cas d'une image matricielle) dans chaque couple, par exemple en s'appuyant sur des points d'appui clairement identifiables. Dans le cas des zones urbaines, ces points d'appui et points homologues sont relativement nombreux, et d'autant plus identifiables qu'il existe peu de zones à radiométrie constante. Le calcul de MNT est effectué automatiquement à partir d'au moins deux couples d'images. Cependant on utilisera généralement plus de deux couples, de façon à tenir compte des parties occultées. Il y aura successivement: calcul de MNE de chaque point, pour chacun des couples stéréoscopiques retenus filtrage et fusion des MNE retenus. Le calcul de MNE peut s'effectuer par l'un des algorith- mes de mise en correspondance couramment utilisés à l'heure actuelle, fondés sur des inter-corrélations entre vignettes ayant une taille de pixels déterminée (par exemple 6x6). Parmi les algorithmes utilisables de fusion de plusieurs représentations pour restituer des données cartographiques 3D à partir de plusieurs images 2D d'une scène, on peut citer ceux donnés dans l'article de M. Okutomi et autres, 1993 "A multiple baseline stereo"IUUU Trans. on PAMI 15(4): 353-362. Chaque calcul de MNE se présente sous la forme d'une carte de disparité. Les diverses cartes sont projetées dans un repère cartographique commun et fournissent, en chaque point x, y, une valeur z. La comparaison entre les altitudes z données par chaque MNE peut s'effectuer point à point. On choisira par exemple celle passant par le plan approximant au mieux l'ensemble des mesures altimétriques environnantes. Lorsqu'un point correspond à un emplacement occulté par un bâtiment en élévation, il pourra être décelé par suite d'un défaut de correspondance avec les points voisins et dans ce cas on choisira la donnée z fournie par un autre couple. Dans le cas d'une prise de vues d'avion, on utilisera fréquemment deux séries parallèles de trois images (les deux séries correspondant à des lignes de défilement f différen- tes) pour chaque pixel. On arrive ainsi à une carte sous forme d'un fichier en (x, y, z) qui contiendra des points aberrants et des points auxquels ne sera affectée aucune valeur z, du fait qu'un critère de cohérence appliqué au résultat révélera l'absence de données fiables. Chacun des points pourra également se voir affecté d'une brillance, permettant de réaliser une ortho-image avec des valeurs de gris. Une telle ortho-image peut ensuite être utilisée pour des opérations manuelles permettant d'écarter les points erronés, de compléter les pourtours des bâtiments et d'écarter les détails. Cette carte peut être réalisée en couleurs naturel- les ou artificielles. Toutefois il est plus avantageux de constituer une hypso-image en couleurs représentatives de l'altitude, ce qui permettra à un opérateur de visualiser le relief et lui facilitera le pointage du périmètre des bâti- ments en élévation, qui pourront être représentés soit par leur pourtour réel soit par des vecteurs. L'opérateur pourra également effacer les détails et les bâtiments bas, lors- qu'ils sont sans intérêt pour l'usage envisagé. Le procédé est également applicable à des vues prises depuis un satellite en orbite basse dont le trajet apparent par rapport à la terre est par exemple du genre montré en tirets sur la figure 3. En particulier, des résultats satisfaisants peuvent être obtenus en utilisant deux passages successifs et, au cours de chaque passage, des changements d'orientation tels que l'on obtienne trois images de chaque zone couverte, prises sous des angles différents ayant des écarts de 15 à 20 de préférence, (l'une des images étant prise au quasi-nadir); l'écart entre les deux trajectoires successives peut correspondre à un écart angulaire de 20 . REVEND I CAT I ONS 1. Procédé de production de données cartographiques en zone urbaine, suivant lequel: - on prend des vues de la zone urbaine telles que chaque point au sol soit vu dans au moins trois images, chaque fois sous une incidence moyenne par rapport à la verticale ne dépassant pas 20 , - on constitue des couples d'images correspondant à des directions de visée ayant des écarts angulaires compris entre 15 et 25 , les couples étant prévus pour constituer des bases dans au moins deux orientations différentes - on modélise la géométrie des vues, - on forme des cartes de disparité correspondant chacune à un couple, par intercorrélation, et on en déduit des MNE sous forme de l'élévation z pour chaque point de coordonnées x y, - on fusionne les MNE en retenant pour tout point l'élévation correspondant au plan approximant au mieux l'ensemble des mesures altimétriques environnantes, - et on en déduit une ortho-image. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on prépare une hypso-image en couleurs à partir de l'ortho-image, on affiche l'hypso-image sur une console d'ordinateur et on effectue manuellement un détourage des superstructures sur l'image. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on effectue les prises de vue depuis un avion, à une altitude entre 1000 et 4000 m, avec une focale comprise entre 100 et 400 mm et un recouvrement de 80 % dans le sens du défilement dans le sens transversal. 98 04374 13.07.98