Evaluation et amélioration des méthodes de détermination des vitesses en surface d'écoulement par analyse de séquence d'images

Evaluation and improvement of image-based surface velocimetry methods

• Auteur / Autrice : Guillaume Bodart
• Direction : Jérôme Le Coz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l’Environnement
• Date : Soutenance le 16/05/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : RiverLy (Lyon ; 2018-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Barthélémy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Pierrot-Deseilligny, Elisabeth Jamieson, William Castaings
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Ducottet, Mário Jorge Franca

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cours d'eau

Traitement d'images -- Techniques numériques

Écoulement (hydrologie) -- Vitesse

Mots clés libres

Hydrométrie

Analyse d'images

Vélocimétrie

Lspiv

Rivière

River

Lspiv

Velocimetry

Hydrometry

Image Processing

Résumé

Les méthodes vélocimétriques par analyse de séquences d’images se sont fortement développées et démocratisées dans la dernière décennie pour mesurer les vitesses et les débits des écoulements à surface libre. Ces méthodes non-intrusives sont avantageuses car elles permettent de mesurer le champ des vitesses instantanées bidimensionnelles sur une zone relativement étendue, parfois filmée depuis un aéronef, sans perturber l’écoulement ni mettre en danger les opérateurs et le matériel. Cependant, l’intégration des méthodes vélocimétriques usuelles comme la classique LSPIV (Large-Scale Particle Image Velocimetry) dans les chaînes de mesure opérationnelles se heurte encore à certaines limitations : validation délicate en conditions réelles, sensibilité des résultats à de multiples choix confiés à l’expertise de l’opérateur, orthorectification sur une surface plane, absence de calcul d’incertitude complet sur les résultats de vitesse et de débit. Les développements menés dans cette thèse visent à proposer des solutions concrètes à ces principales limitations. La LSPIV telle qu’implémentée dans le logiciel open-source Fudaa-LSPIV est utilisée comme un cas d’étude représentatif mais la plupart des méthodes proposées peuvent s’appliquer à d’autres algorithmes de vélocimétrie. Notamment, une méthode originale basée sur des outils d’infographie puissants a été développée pour créer des vidéos de synthèse d’écoulements réalistes assorties de vitesses de référence précisément connues. Ainsi, les importantes sources d’erreur environnementales peuvent être simulées et leur impact sur les résultats vélocimétriques peut être précisément quantifié. La sensibilité des résultats aux options et paramètres définis par l’opérateur a pu être systématiquement étudiée grâce à une intercomparaison LSPIV réunissant une vingtaine d’opérateurs et huit vidéos représentatives de jaugeages opérationnels avec des références de débit d’incertitude quantifiée. La variabilité des résultats a pu être fortement réduite grâce à de nouveaux outils de paramétrage assisté et de filtrage des vitesses. Enfin, l’application de la vélocimétrie image conventionnelle (avec une seule caméra) à des écoulements sur des surfaces incurvées telles que des évacuateurs de crue ou des chutes d’eau sur déversoir est rendue possible grâce à une nouvelle méthode d’orthorectification sur surface cylindrique droite de géométrie connue (méthode Orthocyd). Des perspectives sont proposées pour préfigurer une quantification de l’incertitude des mesures de vitesse par LSPIV et ainsi développer un cadre complet d’analyse des incertitudes comme pour les autres techniques de jaugeage. Ces différents développements méthodologiques vont significativement accroître la fiabilité et l’applicabilité de la LSPIV et des autres techniques de vélocimétrie image.

Velocimetry methods using image sequence analysis have become increasingly popular in the last ten years for measuring velocities and discharges in open-channel flows. The incentive of these non-intrusive methods is the measurement of the two-dimensional instantaneous velocity field over a relatively large area, sometimes filmed from an aircraft, without disturbing the flow or endangering operators and equipment. However, the integration of usual velocimetry methods such as the classical LSPIV (Large-Scale Particle Image Velocimetry) in operational measurement chains is still hindered by some limitations: validation in real conditions is difficult, results are sensitive to multiple choices submitted to the expertise of the operator, orthorectification surface is assumed to be flat, a complete method for computing velocity and discharge uncertainty still lacks. The developments carried out in this PhD aim to propose practical solutions to these main limitations. LSPIV as implemented in the open-source software Fudaa-LSPIV is used as a representative case study but most of the proposed methods can be applied to other velocimetry algorithms. In particular, an original method based on powerful computer graphics tools has been developed to create synthetic videos of realistic flows with precisely known reference velocities. In this way, important sources of environmental error can be simulated and their impact on the velocimetry results can be precisely quantified. The sensitivity of the results to the options and parameters defined by the operator could be systematically studied thanks to an LSPIV intercomparison involving twenty operators and eight videos representative of operational gauging with discharge references with quantified uncertainty. The variability of the results was greatly reduced thanks to new assisted settings tools and velocity filtering tools. Finally, the application of conventional image velocimetry (with a single camera) to flows on curved surfaces such as spillways or waterfalls on weirs is made possible by a new orthorectification method for straight cylindrical surfaces of known geometry (Orthocyd method). Prospects are proposed to prepare a quantification of the uncertainty of velocity measurements by LSPIV and thus to develop a complete uncertainty framework similar to those developed for other streamgauging techniques. These various methodological developments will significantly increase the reliability and applicability of LSPIV and other image velocimetry techniques.