Photogrammétrie - Définition

Principe général

Le principe général est basé sur la perception humaine du relief par observation stéréoscopique. Pour le cas de la photogrammétrie aérienne, un avion équipé d'une chambre de prise de vues vole au-dessus d'une région, de façon qu'une partie du terrain figure sur deux clichés correspondant à deux positions différentes de l'avion.

Si on observe simultanément un cliché avec un œil et le second avec l'autre œil grâce à un outil optique approprié (stéréoscope à miroirs, appareil de restitution, ordinateur équipé de lunettes spéciales, etc.), on voit en relief la zone de terrain vue sur les deux images. La vision humaine permet en effet de voir en relief dans une large gamme de dispositions relatives de ces deux images. Mais si nous disposons ces dernières dans une position relative exactement semblable à celle qu'elles avaient au moment de la prise de vue, alors l'image stéréoscopique observée est une exacte homothétie du terrain réel photographié, pour autant que la chambre de prise de vue soit parfaite (c'est-à-dire n'apporte aucune distorsion à l'image, on l'appelle alors chambre "métrique"), ou que l'image ait été corrigée de sa distorsion. Pour exploiter alors cette scène stéréoscopique, l'appareil de restitution superpose à chaque image un point (le "ballonnet"), que la vision humaine comprendra comme un petit objet dont la position est déplaçable à volonté en hauteur au-dessus de l'image du terrain grâce à des commandes appropriées. L'opérateur aura donc pour travail de promener ce ballonnet dans l'image sur tous les objets à mesurer, pendant que l'appareil archivera toutes les informations numériques produites.

Pour que l'image observée soit une copie exacte de l'objet mesuré, il faut contraindre un certain nombre de points dans l'image en les obligeant à être à des positions relatives similaires aux leurs sur l'objet. Pour un couple stéréoscopique donné, on montre qu'il faut 6 points connus pour que l'image soit fidèle. Ces points seront mesurés : cette opération est appelée stéréopréparation. Lorsque de nombreux couples stéréoscopiques sont enchaînés (bande de clichés aériens), on peut limiter le nombre de points terrain à mesurer en analysant toutes les contraintes géométriques qui se transmettent de cliché à cliché. Le processus de calcul, très complexe, s'appelle aérotriangulation. Par ailleurs, la manipulation des grandes quantités de données numériques extraites est résolue par des logiciels spécialisés, outils permettant la mise en forme finale des données sorties de l'appareil, d'entrée des corrections en provenance des équipes de terrain (qui complètent les levers de toutes les informations non visibles sur les clichés et corrigent les points douteux, phase dite de complètement), et enfin de formatage et d'édition des données selon les besoins du client.

Domaines d'application

La même image aérienne, ortho-rectifiée : cette image est en tout point parfaitement superposable à une carte, les effets de perspective liés au relief ne sont plus perceptibles.

On peut citer :

• la photogrammétrie aérienne qui est l’ensemble des techniques et des matériels utilisés pour aboutir à la représentation d’un territoire étendu, à partir de prises de vues aériennes (désormais de plus en plus souvent numériques), voire d'images spatiales à petit pixel (p. ex. Ikonos, Quick Bird, Spot 5…). C'est le domaine historique de la photogrammétrie, et l'explosion du besoin de données géographiques à jour entraîné par la multiplication des SIG lui assure durablement de bonnes perspectives industrielles, car c'est de loin le processus qui permet de mesurer le plus de points au coût le plus faible sur de gros chantiers. Dans ce domaine, on peut inclure l'orthophotographie. C'est une technique qui utilise l'orientation relative des images, la position de la caméra, ainsi qu'un modèle numérique du terrain ; à partir de ces éléments, on déforme l'image afin de la rendre, par calcul, parfaitement superposable en tout point à une carte. Et une fois ""ortho-rectifié" un ensemble d'images, on peut assembler celles-ci pour former une seule image, parfaitement continue, pouvant couvrir jusqu'à un pays entier.
• la photogrammétrie terrestre qui est l'application des méthodes photogrammétriques à divers types de relevés : par exemple monuments et travaux d'architecture, métrologie de pièces industrielles de toutes sortes de dimensions, etc. à partir de prises de vues terrestres. Ces prises de vues sont désormais systématiquement numériques.

La photogrammétrie est ainsi utilisée dans différents domaines, tels que la topographie, la cartographie, l'architecture, les investigations de police, la géologie ou l'archéologie.

Depuis les développements récents de l'informatique grand public, de remarquables logiciels ont été industrialisés, avec lesquels on parvient à effectuer la plupart des traitements photogrammétriques classiques à partir des images numériques obtenues. On parvient aussi à prendre en compte les aberrations optiques de la caméra de façon beaucoup plus aisée, et à réaliser les calculs de corrélation entre images, remplaçant de façon souvent avantageuse l'œil humain. Ainsi la photogrammétrie a pu investir le champ des applications de la mesure 3D : création de Modèle numérique de terrain (MNT), relevé de la géométrie d'installations de grandes dimensions (voir les applications de la photogrammétrie sur l'accélérateur LHC du CERN), relevé de la déformation de pièces, relevé de produits industriels…

Un domaine d'emploi, la métrologie industrielle

Malgré les avantages certains de cette méthode qui permet de travailler sur points naturels (sans cible), les deux principaux inconvénients de la photogrammétrie stéréoscopique employée en métrologie industrielle résident dans le délai de restitution des résultats de mesure qui peut être très long, et par le fait d'être obligé de réaliser des clichés parallèles pour que l'opérateur puisse visualiser les images en stéréoscopie. De ce fait, cette méthode est restée très longtemps en marge des applications industrielles et ne s'imposait que par défaut d'autres méthodes 3D. Grâce aux moyens de calcul de plus en plus rapides, complexes et portables, ces applications de photogrammétrie ont fortement évolué. Dès qu'il a été possible de traiter les clichés individuellement par des procédés semi-automatiques, dans la plupart des opérations industrielles, le principe de la stéréoscopie en images à axes parallèles a été abandonné au profit de la prise de vue convergente, principe directement inspiré des mesures au théodolite. Par ailleurs, les progrès du numérique ont permis de remplacer les supports argentiques par des matrices CCD. Les avantages apportés par cette nouvelle technologie sont indéniables :

• Un traitement en temps quasi réel est devenu possible.
• Facilité de la prise de vue et du traitement, ce qui conduit les opérateurs à multiplier les points de vue (d'une mesure avec 10 à 12 clichés argentiques, on passe facilement à des mesures à 60, voire 100 images).
• Une dynamique d'image devenue réellement considérable, avec un bruit très réduit, ce qui a rapidement donné d'excellents résultats en matière de corrélation automatique.
• Simplification des procédures de reconnaissance de cible, grâce à des traitements d'image adaptés.
• Optimisation des calculs de centre de cible, ce qui permettait de compenser la faible définition des premières matrices CCD par rapport aux supports argentiques. Les tailles de matrices actuelles ne présentent plus ce défaut.

De ce fait, la photogrammétrie s'est rapidement imposée comme une méthode de mesure 3D de l'industrie, dès lors que les surfaces à contrôler sont complexes, que le niveau d'incertitude requis est faible et que la rapidité de la saisie est essentielle.