Orthophotographie
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Exemple d'orthophotographie issue de Google Earth : ici la prison d'Alcatraz.
Exemple d'orthophotographie issue de Google Earth : ici la prison d'Alcatraz.

Les orthophotographies ou orthoimages sont des images aériennes ou satellitales de la surface terrestre rectifiées géométriquement et égalisées radiométriquement. Ces images se présentant sous forme de dalles couvrant une zone de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...) peuvent être géoréférencées dans n'importe quel système de coordonnées. Elles servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) de fonds cartographiques dans les Systèmes d'information géographique.

Les logiciels Google Earth (Google Earth est un logiciel, propriété de la société Google, permettant une visualisation de la Terre avec un assemblage de photographies aériennes...) et World Wind (WIND est un satellite de la NASA lancé le 1er novembre 1994 depuis la base de Cape Canaveral par un lanceur Delta II. De forme cylindrique de 2,4 mètres...) sont de bons exemples d'outils utilisant des orthophotographies en fond cartographique.

Définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.)

Orthophotographie Noir et Blanc de la confluence du Missouri et du Mississippi
Orthophotographie (Les orthophotographies ou orthoimages sont des images aériennes ou satellitales de la surface terrestre rectifiées géométriquement et égalisées radiométriquement. Ces images se présentant sous forme de...) Noir et Blanc (Le noir et blanc sont considérés ou non comme des couleurs selon la discipline qui en parle : imprimerie, photographie, physique, peinture, théorie de la perception. Dans le langage courant,...) de la confluence (La confluence d'un système de réécriture est définie comme la propriété suivante :) du Missouri et du Mississippi

On appelle orthophotographie ou plus communément orthophoto une image obtenue par traitement d’un cliché aérien numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite...) ou argentique dont la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres types...) a été redressée de sorte que chaque point (Graphie) soit superposable à une carte plane (La plane est un outil pour le travail du bois. Elle est composée d'une lame semblable à celle d'un couteau, munie de deux poignées, à chaque extrémité de la lame. Elle permet le dégrossissage et le creusage de...) qui lui correspond. En d'autres termes, une orthophotographie semble être prise à la verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) de tous les points qu'elle figure, ces points étant situés sur un terrain parfaitement plat.

Trois opérations de rectifications sont à considérer lors du calcul de l'orthophotographie à partir d'un cliché aérien stéréoscopique :

  1. Corriger l'inclinaison (En mécanique céleste, l'inclinaison est un élément orbital d'un corps en orbite autour d'un autre. Il décrit l'angle entre le plan de l'orbite et le plan de référence (généralement le plan de l'écliptique,...) de la prise de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.),
  2. Aplanir le terrain, c'est-à-dire rectifier l'inclinaison des objets due aux pentes (relief),
  3. Corriger l'erreur de parallaxe (La parallaxe est l'incidence du changement de position de l'observateur sur l'observation d'un objet.) commise à la visée, ainsi que les déformations optiques des objectifs et appareils utilisés.

Souvent, les entreprises spécialisées tiennent compte du point 1. et 2. mais pas du 3. qui implique des calculs beaucoup plus complexes. Les orthophotographies résultantes comportent alors du dévers (particulièrement le bâti).

Usages des orthophotographies

Les orthophotographies sont utilisées dans des domaines variés et pour de nombreuses applications. Elles permettent l'identification d'objets, et la mesure planimétrique.

Domaines d'utilisation

  • l'aménagement du territoire (La notion de territoire a pris une importance croissante en géographie et notamment en géographie humaine et politique, même si ce concept est utilisé par...),
  • l'urbanisme (L’urbanisme est à la fois un champ disciplinaire et un champ professionnel recouvrant l'étude du phénomène urbain, l'action d'urbanisation et l'organisation de la ville...),
  • l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux...),
  • l'agriculture,
  • et la communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications, nouvelles technologies...), ainsi que leurs...).

Applications concernées

  • l'étude d'impact,
  • la révision du Plan d'Occupation des Sols (POS),
  • l'analyse du paysage (Étymologiquement, le paysage est l'agencement des traits, des caractères, des formes d'un espace limité, d'un « pays ». Portion de l'espace terrestre saisi horizontalement par...),
  • la gestion des aides (AIDES est une association française de lutte contre le VIH/Sida et les Hépatites virales, créée en 1984 et reconnue d'utilité publique depuis 1990. L'association...),
  • ou les plans de préventions.

Les différentes étapes de la fabrication

Orthophotgraphie satellitale du Radiotélescope d'Arecibo à Puerto Rico
Orthophotgraphie satellitale du Radiotélescope (Un radiotélescope est un télescope spécifique utilisé en radioastronomie pour capter les ondes radioélectriques émises...) d'Arecibo à Puerto Rico

Prendre les photographies

La première étape de fabrication d'une orthophotographie est de collecter un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble),...) de photos couvrant un territoire. Ces photographies aériennes sont prises à partir d'une caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la télévision ou la vidéo.) montée sur un avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI), est un aéronef plus lourd que l'air,...) spécialement équipé. Pour obtenir une image tridimensionnelle et pouvoir repérer les pentes, chaque zone est prise depuis deux points de vue légèrement décalés en conservant la même altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui explique la répartition de...). Ainsi, chaque photo recouvre 60 % de la précédente prise de vue selon 2 angles différents, ce qui permet la prise en compte des déformations du relief (Le relief est la différence de hauteur entre deux points. Néanmoins, ce mot est souvent employé pour caractériser la forme de la surface de la Terre.). Un plan de vol (Le plan de vol est un document déposé par le pilote avant le vol auprès de l'autorité assurant le contrôle de la circulation aérienne. Il permet d'initier le dialogue avec les contrôleurs de la...) très précis suivant des axes parallèles et un respect de l'altitude sont donc essentiels pour assurer le recouvrement (Un recouvrement d'un ensemble X est un ensemble P de sous-ensembles non vides de X tel que l'union de ces sous-ensembles soit égal à X. Autrement dit...) idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon...).

De plus, les conditions temporelles et météorologiques sont prises en compte. Les prises de vue sont réalisées à la mi-journée pour réduire au minimum les ombres attribuables à la position du soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est...). De même, un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) clair, sans nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il reçoit, de la...) ni brume ni fumée (La fumée, parfois appelée boucane en Amérique du Nord, est un nuage de particules solides émis par un feu ou un échauffement mécanique. Ces particules sont principalement de la suie (du carbone...) est préférable pour prendre les photos.

La caméra utilisée peut être de type numérique, permettant de s'affranchir de l'étape suivante, consistant à scanner (Un scanneur, ou numériseur à balayage est l'équivalent du terme anglais scanner, qui vient du verbe anglais to scan, signifiant « balayer » dans le sens de...) les clichés argentiques. Les prises de vue sont généralement effectuées en mode couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).), mais il est également possible d'acquérir en noir et blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux continu, d'où l'image...) ou en infra-rouge.

Numériser les clichés aériens

Le film obtenu à l'étape précédente est développé et des diapositives sont produites pour toutes les photos prises durant la campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés habités, elle s'oppose aux concepts de ville, d'agglomération ou de milieu urbain. La campagne est...) de vol. Chaque diapositive est alors numérisée grâce à un scanneur (Un scanneur, ou numériseur à balayage est l'équivalent du terme anglais scanner, qui vient du verbe anglais to scan, signifiant « balayer » dans le sens de...) photogrammétrique avec une résolution de 22,5 ou 15 micromètres afin d'obtenir des images numériques non rectifiés. Cependant, ces images ne correspondent pas à la réalité, il faut corriger les erreurs présentes durant la prise de vue. Trois opérations de rectifications sont alors mises en œuvre.

Corriger géométriquement les photos scannées

Pour corriger les erreurs de prise de vue, les photographies numériques subissent trois opérations.

  • Calculer leur orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la...) dans l’espace pour prendre en compte des déformations introduites par la distorsion de l’appareil photo, l’inclinaison lors de la prise de vue, et lors de la numérisation (La numérisation est le procédé permettant la construction d'une représentation discrète d'un objet du monde réel.)
  • Calculer le relief grâce au Modèle numérique de terrain (Un modèle numérique de terrain (MNT) est une représentation de la topographie (altimétrie et/ou bathymétrie) d'une zone terrestre (ou d'une planète tellurique) sous une forme adaptée à son utilisation par un calculateur numérique...) (MNT),
  • puis ortho-rectifier les images pour corriger les erreurs inhérentes au relief.

Assembler les images et réaliser une mosaïque

Toutes les photos sont regroupées puis assemblées selon une grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du tube de télévision. Une grille d'arrêt est un élément du tube de télévision. Une grille...) pour former un mosaïquage. Pour assurer des raccords nets entres les différentes photos, les bords de feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux supérieurs. Elle est insérée sur les tiges des plantes au niveau des nœuds. À...) et les superpositions sont gommées. on obtient alors un dallage dont les différents éléments se jouxtent sans superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut possèder plusieurs valeurs pour une certaine quantité observable (spin, position, quantité de mouvement etc.)) ni trous.

Améliorer les couleurs

Enfin, la dernière étape consiste à assurer une homogénéité de la saturation des couleurs et des contrastes pour avoir une image continue et homogène. Ce processus d'équilibre chromatique est nommé processus de correction radiométrique.

Le détourage final permet d'obtenir une zone photographique précise ortho-rectifiée et radiométriquement homogène.

L'effet de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant...) (ou dévers)

Effets de déplacement lors d'une prise de vue orthophotographique
Effets de déplacement lors d'une prise de vue orthophotographique

Le problème majeur lors de la prise de vue aérienne est l'effet de déplacement lié à la projection (La projection cartographique est un ensemble de techniques permettant de représenter la surface de la Terre dans son ensemble ou en partie sur la surface plane...) perspective, surtout en milieu urbain. En effet, plus un élément (bâtiment, édifice, tour, ...) est haut plus l'effet de la perspective est visible. Cet effet est nul au centre de la photographie mais progresse de façon plus ou moins linéaire en s'écartant du centre.De plus, cet effet est aussi dépendant de l'altitude de vol et de l'échelle de la photographie aérienne (La photographie aérienne est un domaine très vaste tant sur le plan de la variété des documents que des techniques employées.).

Cet effet de perspective est souvent à l'origine d'occlusion de l'image par des bâtiments hauts.

Pour minimiser cet effet de déplacement, il existe traditionnellement deux solutions. La plus courante est d'utiliser la position centrale de la photographie puisque c'est cette partie qui est le moins sujette aux effets de déplacement. Mais cela suppose de larges prises de vue et de forts recouvrements entre les différentes prises de vue. La deuxième solution est de prendre des clichés de haute altitude afin de réduire l'effet de perspective et d'être le plus possible à la verticale.

Plus récemment a été introduite la notion d'orthorectification vraie : non seulement le relief du terrain est redressé verticalement, mais également le sursol comme le bâti, la végétation (La végétation est l'ensemble des plantes (la flore) sauvages ou cultivées qui poussent sur une surface donnée de sol, ou dans un...), les ouvrages d'art. Il est pour cela nécessaire de fabriquer un Modèle Numérique de Surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet...) intégrant l'altitude de tous ces éléments, et pas seulement du sol nu (tel que représenté par le MNT). L'orthorectification vraie requiert cependant une prise de vue aérienne avec de forts recouvrements entre clichés, et des algorithmes plus complexes pour gérer les parties cachées.

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