Métrologie 100 % automatique par photogrammétrie aéroportée légère et GPS de précision permanent et embarqué : application au suivi de digues

par Yilin Zhou

Thèse de doctorat en Sciences et Technologies de l'Information Géographique

Sous la direction de Marc Pierrot-Deseilligny et de Christian Thom.

Soutenue le 06-12-2019

à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire en Sciences et technologies de l'information géographique (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne) (laboratoire) et de Laboratoire des Sciences et Technologies de l'Information Géographique / LaSTIG (laboratoire) .

Le président du jury était Pascal Monasse.

Le jury était composé de Marc Pierrot-Deseilligny, Pierre Grussenmeyer, Peter Sturm, Francesco Nex, Marie-Odile Berger, Ewelina Rupnik.

Les rapporteurs étaient Pierre Grussenmeyer, Peter Sturm.


  • Résumé

    Le développement des plateformes de véhicules aériens autonomes (UAV) en fait une source de données précieuse pour les applications d’inspection, de suivi, de cartographie et de modélisation 3D. La photogrammétrie UAV ouvre de nouvelles applications dans la photogrammétrie aérienne rapprochée et introduit une alternative peu coûteuse à la photogrammétrie classique pour véhicules pilotés. La cartographie de corridors, est l’un des domaines d’importance considérable pour la photogrammétrie UAV, car largement sollicitée pour la surveillance et la gestion de certaines infrastructures — les autoroutes, les voies ferroviaires, les voies navigables et les pipelines. En raison de la géométrie particulière de la scène, ceci est un cas à prendre avec précaution. Les erreurs s’accumulent facilement sur la plus longue dimension de la scène et une déformation en bol est souvent observée; de plus, la planéité de la scène introduit de fortes corrélations entre les paramètres à déterminer. Ces deux facteurs réunis rendent plus difficile l’obtention de résultats de haute précision dans la configuration corridor par rapport à une géométrie de prise de vue plus classique. Cette thèse est un projet de recherche initié par un concessionnaire fluvial, responsable de la maintenance et de la surveillance de son installation hydraulique — les digues. L’objectif est d’appliquer la photogrammétrie UAV pour obtenir un suivi 3D dense, plus rapide et moins chère, pour la surveillance de ces digues. Dans le cadre de la thèse, nous cherchons à réduire le travail de terrain tout en maintenant une précision cartographique élevée, en l’occurrence, diminuer le nombre de points de contrôle au sol (GCP). Dans un premier temps, des simulations sont réalisées pour mieux comprendre certains problèmes de cartographie de corridors qui nous intéressent. Ensuite, des études plus approfondies sont menées sur les trois aspects qui nous intéressent le plus. Le premier porte sur la géométrie de l’acquisition aérienne, et plus précisément sur l’influence des images obliques, des images nadir de différentes hauteurs de vol, ainsi que la possibilité d’une calibration de caméra en vol et son application à une géométrie d’acquisition défavorable. Le deuxième vise à améliorer les performances d’acquisition des caméras métriques haute gamme. La déformation de l’image introduite par la variation de la température de la caméra est étudiée et modélisée. Une méthode de correction de cet effet thermique est proposée, ses performances sont évaluées sur des jeux de données terrestres et aériens en configuration de corridors. Le dernier s’intéresse à l’effet de l’obturateur roulant utilisé dans les caméras grand public, qui est vu couramment sur les plateformes UAV du marché. Deux méthodes sont présentées pour calibrer le temps de lecture de la caméra, une propriété qui n’est souvent pas donnée par les fabricants de caméras. Une méthode en deux étapes est proposée pour la correction de l’effet de l’obturateur roulant, ses performances sont évaluées dans les configurations de bloc et de corridor

  • Titre traduit

    100% automatic metrology with UAV photogrammetry and embedded GPS and its application in dike monitoring


  • Résumé

    The development of unmanned aerial vehicle (UAV) platform makes it nowadays avaluable source of data for inspection, surveillance, mapping and 3D modeling issues. UAV photogrammetry opens various new applications in close-range aerial domain and introduces a low-cost alternative to classical manned vehicle photogrammetry. Corridor mapping, one of the fields with substantial importance for UAV photogrammetry, is largely demanded in the surveillance and management of infrastructure assets – highways, railways, waterways and pipelines. Due to the special geometry of the scene, corridor mapping is one case that needs taking precautions. Errors accumulate easily on the longer dimension of the scene and a bowl effect is often observed; the flatness of the scene introduces strong correlations between parameters to be determi-ned, these two factors together, make it more difficult to obtain high accuracy results in corridor configuration than in block one. This thesis is a research project initiated by a river concessionary, which has the responsibility of maintenance and surveillance of its hydraulic facility – the dikes. The objective is to apply UAV photogrammetry, which is faster, cheaper and offers a continuous geometric surveillance, for the monitoring of dikes. While maintaining a high surveying accuracy, a reduced field work, i.e. the number of ground control points (GCPs) is expected.In the first place, simulations are carried out to gain an insight of several problems of corridor mapping that interest us. Then, thorough investigations are conducted on three aspects that interest us the most. The first study focuses on the aerial acquisition geometry, discussions are given on the influence of oblique images, nadir images of different flight heights as well as the possibility of an in-flight camera calibration and its application on unfavourable acquisition geometry. The second study aims to improve the acquisition performance for high-end metric cameras. The image deformation introduced by camera temperature variation is investigated and modelled. A method for the correction of this thermal effect is proposed, its performance is evaluated on both terrestrial and aerial datasets of corridor configuration. The last study interests in the rolling shutter effect for consumer-grade cameras with rolling shutter, which is commonly seen in UAV platforms on the market. Two methods are presented to calibrate the camera readout time, a property that is often not given by camera manufacturers. A two-step method is proposed for the correction of rolling shutter effect, its performance is evaluated in both block and corridor configurations


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