Brevet FR3004801A1 — publié le 20141024

PROCÉDÉ DE MESURE DU VOLUME D'UN AMAS DE MATÉRIAUX poll L'invention concerne un procédé de mesure du volume d'un amas de matériaux. [002] Dans l'industrie minière, il est fréquent de stocker des matériaux sous forme d'amas de grande taille, typiquement déposés à ciel ouvert. Il est souvent nécessaire de mesurer le volume de tels amas de matériaux, pour évaluer la quantité de matériaux présents dans un site donné. [3] Par exemple, dans une carrière, il peut être nécessaire de mesurer le volume d'un amas de granulats déposé à ciel ouvert. Ceci peut être important pour dresser un inventaire de la carrière à un instant donné. De plus, une plus fine connaissance des stocks permet de mieux gérer l'exploitation même de la carrière, par exemple pour l'extraction ou la vente. [4] Généralement, une telle mesure de volume est réalisée manuellement par des géomètres-experts, ce qui est coûteux en temps et en main d'ceuvre. C'est pourquoi une telle mesure n'est faite que rarement. En outre, une telle mesure impose généralement aux géomètres-experts de monter sur l'amas, ce qui présente un risque d'accident important. [5] II existe donc un besoin pour un procédé permettant de mesurer, de façon fiable, le volume d'un amas de matériaux, avec une rapidité accrue et avec un coût réduit. [6] L'invention concerne donc sur un procédé de mesure du volume d'un amas de matériaux, comportant : -la définition d'un plan de vol d'un drone pour survoler un amas de matériaux ; -l'acquisition, par le drone, lors du survol de l'amas de matériaux suivant le plan de vol défini, d'une pluralité d'images stéréoscopiques de l'amas de matériaux, les images stéréoscopiques acquises étant aptes à former un modèle numérique de terrain représentant la topographie de surface de l'amas de matériaux ; -la combinaison desdites images acquises pour former le modèle numérique de 30 terrain ; -le calcul du volume de l'amas de matériaux à partir du modèle numérique de terrain formé. [007] Le drone permet l'acquisition d'un modèle numérique de terrain de l'amas de matériaux plus rapidement qu'une équipe de géomètres-experts, tout en conservant 35 une précision suffisante pour ensuite déterminer le volume de cet amas de matériaux de façon fiable. En effet, la mesure de volume avec un drone peut se faire en moins d'une heure, alors que la mesure d'un géomètre expert dure des jours, voire des semaines avant d'obtenir un résultat. [8] En outre, l'utilisation du drone pour survoler l'amas de matériaux est plus économique et moins compliquée à mettre en oeuvre que l'utilisation d'un satellite d'imagerie ou d'un aéronef piloté tel qu'un hélicoptère. [9] Les modes de réalisation de l'invention peuvent présenter une ou plusieurs 5 des caractéristiques suivantes : -le procédé comporte l'enregistrement de données de calibration pour déterminer l'échelle des images stéréoscopiques acquises ; -l'enregistrement des données de calibration comporte le positionnement d'un motif optique de référence sur l'amas de matériaux, préalablement à l'acquisition des 10 images stéréoscopiques ; et au moins une des images stéréoscopiques acquises de l'amas de matériaux comporte ledit motif optique de référence ; -le motif optique de référence est une mire déposée sur l'amas de matériaux. -le drone comporte une source de lumière, configurée pour projeter un motif optique prédéfini sur l'amas de matériaux ; et l'enregistrement des données de calibration 15 comporte la projection du motif prédéfini sur l'amas de matériaux au moyen de la source de lumière, ce motif optique prédéfini formant le motif optique de référence ; -la source de lumière comporte deux pointeurs lasers, chacun de ces pointeurs étant configuré pour émettre un rayonnement laser suivant une trajectoire rectiligne, lesdites trajectoires étant parallèles entre elles et séparées l'une de l'autre par une 20 distance prédéfinie ; -le drone comporte un dispositif de géolocalisation, apte à fournir des coordonnées géographiques indiquant la position du drone et un télémètre, apte à mesurer la distance séparant le drone de la surface de l'amas de matériaux ; et l'enregistrement des données de calibration comporte, lors de l'acquisition des images 25 stéréoscopiques, la détermination de la distance séparant le drone de la surface de l'amas de matériaux au moyen du télémètre ; -le drone comporte une caméra stéréoscopique ; -les images stéréoscopiques acquises présentent deux à deux des portions communes. 30 [cm cl L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels : - la figure 1 est une illustration schématique, selon une vue en perspective, d'un amas de matériaux ; 35 - la figure 2 est une représentation schématique d'un drone apte à être utilisé pour mesurer le volume de l'amas de matériaux de la figure 1 ; - la figure 3 est un organigramme d'un procédé de mesure du volume de l'amas de matériaux de la figure 1 au moyen du drone de la figure 2; - la figure 4 est un organigramme d'une étape du procédé de la figure 3. [0011] Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. [0012] Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détails. [0013] La figure 1 représente un amas 2 de matériaux, déposé sur un terrain 4. Ici, cet amas 2 est formé de granulats de nature homogène. La granulométrie de cet amas correspond ici à la classe granulaire « 2/8 » telle que définie par la norme « NF EN 13285 ». Le terrain 4 est ici de forme plane. [0014] Avantageusement, un motif optique de référence 6, également appelé cible 10 de référence, est placé sur l'amas 2. Ce motif 6 sera décrit plus en détail dans ce qui suit. [0015] Un drone 10 est apte à survoler l'amas 2 pour en mesurer le volume. [0016] La figure 2 représente plus en détail un exemple d'un tel drone 10 et d'une unité de commande 12 de ce drone 10. Par drone (« Unmanned Aerial Vehicle » en 15 langue anglaise), on désigne un aéronef de dimensions réduites et pouvant circuler sans pilote humain à son bord, par exemple de façon autonome à partir d'un plan de vol prédéfini. [0017] Ce drone 10 est ici un drone à voilure tournante, par exemple à quadrirotor. Ce drone 10 est ainsi apte à se maintenir en vol stationnaire. Ce drone 10 comporte 20 un dispositif d'imagerie optique 14, apte à acquérir des images stéréoscopiques. Par exemple, le drone 10 est apte à se déplacer à une altitude inférieure ou égale à 3m ou à 7m ou à 15m ou à 20m. Ce drone 10 présente une masse inférieure à 10kg ou à 5kg et une envergure inférieure à 3m ou à 2,5m ou à 2m. Ce drone 10 est notamment apte à transmettre des données, telles que des données acquises par le dispositif 14, 25 vers l'unité 12. Ce drone 10 est également apte à décoller et à se déplacer de façon autonome, par exemple en suivant un plan de vol transmis par l'unité 12. [0018] Ce drone 10 comporte avantageusement un dispositif de géolocalisation 16. Un tel dispositif de géolocalisation est apte à fournir des coordonnées géographiques de la position occupée par le drone 10. Cette localisation géographique est ici 30 exprimée sous la forme de coordonnées d'un système de localisation par satellite, comme par exemple des coordonnées GPS (« Global Positioning System » en langue anglaise). Un tel dispositif 16 comporte donc ici un récepteur GPS. [0019] L'unité 12 est apte : -à transmettre des instructions, comme un plan de vol ou un ordre de décoller, au 35 drone 10, et -à recevoir des données venant du drone 10, comme des données issues du dispositif 14. Cette unité 12 comporte ici un micro-ordinateur équipé d'une interface de communication et d'un logiciel de contrôle du drone 10. [0020] Le dispositif 14 comporte ici une caméra optique stéréoscopique. [0021] Un exemple d'un procédé de mesure du volume occupé par l'amas 2 va maintenant être décrit, en référence à l'organigramme de la figure 3 et à l'aide des figures 1, 2 et 4. [0022] Lors d'une étape 20, un plan de vol du drone 10 est défini, pour que le drone 10 survole l'amas 2. Par exemple, le plan de vol est automatiquement défini au moyen de l'unité 12. Ici, des coordonnées géographiques de la portion de terrain 4 comportant l'amas 2 sont fournies. On définit par exemple une pluralité de points de passage par lesquels le drone doit passer en survolant l'amas 2 de façon à pouvoir acquérir un ensemble d'images stéréoscopiques illustrant la totalité de la surface extérieure de l'amas 2. Par exemple, le plan de vol est défini pour que le drone 10 définisse un cercle autour de l'amas 2 pour acquérir des images de toutes les faces latérales de l'amas 2. Chaque point de passage est ici identifié par ses coordonnées géographiques et par son altitude. Le plan de vol est ainsi défini pour que le drone 10 passe par chacun de ces points de passage, en suivant de préférence une trajectoire de longueur réduite. [0023] Puis, lors d'une étape 22, une pluralité d'images stéréoscopiques de l'amas 2 est acquise au moyen du drone. La figure 4 représente plus en détail un exemple de cette étape 22. [0024] D'abord, lors d'une opération 24, le plan de vol défini est transmis au drone 10, par exemple au moyen de l'unité 12. Ensuite, lors d'une opération 26, un ordre de décollage est transmis au drone 10. [0025] Puis, lors d'une opération 28, le drone 10 se déplace au-dessus de l'amas 2, suivant le plan de vol reçu lors de l'opération 24. Une pluralité d'images stéréoscopiques de l'amas 2 est alors acquise à l'aide du dispositif 14. Dans cet exemple, ces images stéréoscopiques sont acquises périodiquement, au fur et à mesure du déplacement du drone, avec une périodicité prédéterminée. Par exemple, une image stéréoscopique est acquise toutes les 0,5s ou toutes les 0,1s. Les images stéréoscopiques sont avantageusement acquises de façon à présenter un recouvrement mutuel deux à deux. Par exemple, deux images stéréoscopiques acquises consécutivement par le dispositif 14 présentent un recouvrement mutuel. On dit de deux images qu'elles présentent un recouvrement mutuel si des portions respectives de ces deux images représentent une même scène. Par exemple, ces images présentent un recouvrement mutuel sur une portion de leur superficie supérieure ou égal à 20 % ou à 40 % ou à 50 % ou à 80 % de leur superficie totale. [0026] Le dispositif 16 enregistre ici les coordonnées géographiques de la position occupée par le drone 10 lors de l'acquisition de chaque image par le dispositif 14. Dans la suite de la description, on parlera de « coordonnées d'une image » pour désigner ces coordonnées, respectivement, pour chaque image stéréoscopiques. Avantageusement, l'altitude du drone 10 est également enregistrée lors de chaque acquisition. [0027] Avantageusement, lors d'une opération 30, des données de calibration sont enregistrées, en vue de déterminer ultérieurement l'échelle des images stéréoscopiques acquises. [0028] Par exemple, au moins un exemplaire d'un motif optique de référence 6, et de préférence trois exemplaires, sont placés sur l'amas 2 préalablement à l'acquisition des images stéréoscopiques au cours de l'opération 28. Pour simplifier, seul un exemplaire de ce motif 6 est représenté sur la figure 1. [0029] Ce motif optique de référence 6 est visible depuis l'emplacement du drone 10 pendant que ce drone survole l'amas 2 selon le plan de vol, et est apte à être enregistré sur les images stéréoscopiques. Ce motif optique de référence présente des dimensions connues, de façon à pouvoir servir une échelle de dimensions sur les images stéréoscopiques acquises. [0030] Dans cet exemple, le motif 6 est placé sur l'amas 2. Ce motif 6 est ici une mire, en forme de croix, dessinée sur un panneau. L'opération 30 est réalisée 15 conjointement à l'opération 28 d'acquisition des images stéréoscopiques. [0031] Puis, lors d'une opération 32, les images stéréoscopiques acquises lors de l'opération 28 sont reçues par l'unité 12, chacune sous la forme d'une image stéréoscopique numérique. Avantageusement, les coordonnées géographiques de chacune de ces images stéréoscopiques, ainsi que leur altitude, sont également 20 reçues par l'unité 12. [0032] A l'issue de l'étape 22, on dispose donc d'un ensemble d'images stéréoscopiques, prises selon des positions différentes, illustrant la totalité de la surface extérieure de l'amas 2. [0033] Ensuite, lors d'une étape 40, une topographie de surface de l'amas 2 est 25 formée à partir des images stéréoscopiques acquises lors de l'étape 22. [0034] Par topographie d'une surface, on désigne ici un ensemble de données représentant, en tout point d'une surface, l'élévation géographique de cette surface par rapport au terrain 4. Cette topographie est, par exemple, un modèle numérique de terrain (« digital elevation model » en langue anglaise). Un tel modèle numérique de 30 terrain, pour un objet donné, est par exemple représenté, sous forme numérique, par un nuage de points. À chacun de ces points correspond la position et l'altitude moyenne de la portion d'objet correspondant à ce point. [0035] Dans cet exemple, ces images stéréoscopiques sont combinées au moyen d'un procédé de photogrammétrie, pour former le modèle numérique de terrain. Cette 35 combinaison est par exemple réalisée au moyen du logiciel « Agisoft PhotoScan Professional » version 0 .8 distribué par la société « Agisoft ». Les dimensions de ces images stéréoscopiques sont calibrées à partir des dimensions du motif 6 tel qu'il apparaît sur ces images stéréoscopiques, et connaissant les dimensions connues de ce motif 6. [0036] A l'issue de cette étape 40, on dispose d'un modèle numérique de terrain de l'amas 2. Dans cet exemple, le modèle numérique de terrain obtenu pour l'amas 2 comporte un nuage de points comportant 52000 points, répartis avec une densité moyenne de 95 points par m2 sur la surface de l'amas 2. [0037] Ensuite, lors d'une étape 50, le volume de l'amas 2 est calculé à partir du modèle numérique de terrain obtenu lors de l'étape 40. Ce calcul est ici réalisé automatiquement, en interpolant d'abord, à partir du nuage de points, une surface continue formant le pourtour de l'amas 2, puis en calculant le volume délimité par la réunion de cette surface continue avec la surface du terrain 4. [0038] Dans cet exemple, le volume de l'amas 2 calculé lors de l'étape 50 est égal 395,71m3. Afin d'illustrer l'efficacité de ce procédé, le volume de cet amas 2 a été mesuré indépendamment par une équipe de géomètres-experts. Cette équipe a obtenu une valeur de 404m3 pour le volume de l'amas 2, soit un écart de seulement 2% par rapport à la valeur obtenue à l'aide du procédé. Le procédé présente donc une précision et une fiabilité suffisantes, tout en étant plus rapide et moins coûteux à mettre en oeuvre. [0039] Enfin, ici, lors d'une étape 60, la valeur du volume calculée est fournie sur une interface de communication. [0040] De nombreux autres modes de réalisation sont possibles. [0041] Le procédé peut être utilisé pour mesurer le volume d'une pluralité d'amas de matériaux distincts déposés sur le terrain 4. Dans ce cas, le volume de chacun de ces amas peut être déterminé. Le plan de vol est alors défini pour que le drone 10 survole successivement chacun de ces amas pour acquérir séparément des images stéréoscopiques de chacun de ces amas sur lesquels les autres amas ne sont pas visibles. Dans une autre variante, plusieurs amas peuvent figurer sur une image stéréoscopique donnée. Dans ce cas, lors de l'étape 40, les amas sont identifiés automatiquement, afin de construire, des modèles numériques de terrain distincts pour chacun de ces amas. Par exemple, des motifs optiques de référence différents sont utilisés pour identifier chacun des amas. [0042] Le motif 6 peut présenter une forme et/ou des dimensions différentes. Plusieurs exemplaires du motif 6 peuvent être utilisés sur l'amas 2. Plusieurs motifs de référence différents entre eux peuvent être placés sur l'amas 2. [0043] Le dispositif 16 peut être différent. Par exemple, la géolocalisation du drone 10 est assurée au moyen d'un procédé de triangulation par radio. À cet effet, au moins trois émetteurs radio sont disposés sur le terrain 4 à des emplacements connus. Le dispositif 16 comporte un récepteur radio apte à recevoir les signaux radio émis par ces émetteurs et à déterminer des coordonnées géographiques à partir de ces signaux radio émis. Ces signaux radio sont par exemple émis suivant la technologie dite de « Ultra-large bande » (ULB). [0044] La périodicité d'acquisition des images lors de l'opération 28 peut être différente. Cette périodicité peut par exemple être définie par rapport à la distance parcourue par le drone. Une image peut ainsi être acquise tous les 2m ou tous les mètres. [0045] Les données de calibration peuvent être enregistrées différemment. Par exemple, le motif 6 posé sur l'amas 2 sous forme de panneau est remplacé par une image prédéfinie projetée par le drone sur l'amas 2. Dans ce cas, l'opération 30 consiste à projeter, pendant l'acquisition de chaque image stéréoscopique, cette image prédéfinie sur l'amas 2, de façon à que cette image prédéfinie projetée soit visible sur les images stéréoscopiques acquises. Cette image prédéfinie présente ici des dimensions connues, et est ensuite utilisée, lors de l'opération 40, pour calibrer les distances de chacune des images. Dans ce cas, à cet effet, le drone 10 comporte une source lumineuse apte à projeter une telle image prédéfinie. [0046] Par exemple, une telle source comporte deux pointeurs lasers, émettant chacun un faisceau laser suivant une trajectoire rectiligne. Ces pointeurs laser sont disposés de façon à ce que ces deux trajectoires rectilignes soient parallèles entre elles et séparées l'une de l'autre par une distance prédéfinie. La projection de ces deux faisceaux laser sur l'amas 2 conduit à la formation, en surface de cet amas 2, de deux taches lumineuses, écartées l'une de l'autre d'une distance connue. Cet écartement entre les deux taches est ensuite mesuré sur les images stéréoscopiques acquises pour permettre la calibration des distances sur les images stéréoscopiques. [0047] En variante, ces pointeurs laser peuvent être disposés de façon à ce que les trajectoires de leurs faisceaux respectifs soient divergentes, avec un angle de divergence connu. Les deux taches présentent donc, sur l'amas 2, un écartement pouvant varier en fonction de la distance entre le drone 10 et l'amas 2. Dans ce cas, la calibration comporte une opération supplémentaire de détermination de la distance entre le drone 10 et l'amas 2 pour ensuite calculer la distance séparant les deux taches. [0048] Selon une autre variante, l'opération 30 ne nécessite pas de motif optique de référence. Dans ce cas, la calibration d'une image stéréoscopique est réalisée en fonction : -des coordonnées de cette image stéréoscopique, -de l'altitude du drone 10 enregistrée pour cette image stéréoscopique, et -de la distance à laquelle le drone 10 se trouvait de l'amas 2 au moment de 35 l'acquisition de l'image stéréoscopique. Cette distance est par exemple mesurée au moyen d'un télémètre embarqué par le drone 10, puis enregistrée lors de l'acquisition de cette image stéréoscopique. REVENDICATIONS1. Procédé de mesure du volume d'un amas de matériaux, caractérisé en ce que ce procédé comporte : -la définition (20) d'un plan de vol d'un drone (10) pour survoler un amas (2) de matériaux ; -l'acquisition (22), par le drone, lors du survol de l'amas de matériaux suivant le plan de vol défini, d'une pluralité d'images stéréoscopiques de l'amas de matériaux, les images stéréoscopiques acquises étant aptes à former un modèle numérique de 10 terrain représentant la topographie de surface de l'amas de matériaux ; -la combinaison (28) desdites images acquises pour former le modèle numérique de terrain ; -le calcul (32) du volume de l'amas de matériaux à partir du modèle numérique de terrain formé. 15 2. Procédé selon la revendication 1, comportant l'enregistrement (30) de données de calibration pour déterminer l'échelle des images stéréoscopiques acquises. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel : 20 -l'enregistrement des données de calibration comporte le positionnement d'un motif optique de référence (6) sur l'amas de matériaux, préalablement à l'acquisition des images stéréoscopiques ; -et dans lequel au moins une des images stéréoscopiques acquises de l'amas de matériaux comporte ledit motif optique de référence. 25 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le motif optique de référence est une mire déposée sur l'amas de matériaux. 5. Procédé selon la revendication 3, dans lequel : 30 -le drone comporte une source de lumière, configurée pour projeter un motif optique prédéfini sur l'amas de matériaux ; -l'enregistrement des données de calibration comporte la projection du motif prédéfini sur l'amas de matériaux au moyen de la source de lumière, ce motif optique prédéfini formant le motif optique de référence. 35 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la source de lumière comporte deux pointeurs lasers, chacun de ces pointeurs étant configuré pour émettre unrayonnement laser suivant une trajectoire rectiligne, lesdites trajectoires étant parallèles entre elles et séparées l'une de l'autre par une distance prédéfinie. 7. Procédé selon la revendication 2, dans lequel : 5 -le drone comporte : - un dispositif de géolocalisation (16), apte à fournir des coordonnées géographiques indiquant la position du drone ; - un télémètre, apte à mesurer la distance séparant le drone de la surface de l'amas de matériaux ; 10 -l'enregistrement des données de calibration comporte, lors de l'acquisition des images stéréoscopiques, la détermination de la distance séparant le drone de la surface de l'amas de matériaux au moyen du télémètre. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le drone 15 comporte une caméra stéréoscopique (14). 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les images stéréoscopiques acquises présentent deux à deux des portions communes.