De nouveaux usages pour l'imagerie satellitaire dans ArcGIS
La récente possibilité d’intégrer des images satellites dans ArcGIS Reality
for ArcGIS Pro afin de créer le socle de votre jumeau numérique offre de
nouvelles perspectives et notamment concernant la production et
l’utilisation de modèles numérique haute résolution. Dans cet article, nous
vous partageons quelques bonnes pratiques sur la façon de choisir l'imagerie
satellite appropriée pour générer des produits de haute qualité et
haute-fidélité avec le module Reality Mapping de ArcGIS Reality for ArcGIS
Pro.
Pourquoi utiliser les images satellitaires ?
Les satellites, en orbite permanente autour de la Terre, prennent
régulièrement des images, offrant ainsi une surveillance étendue de
n'importe quelle zone de la planète. Ces images servent aujourd'hui dans de
nombreux domaines, tels que l'évaluation des catastrophes, la cartographie
de l'utilisation des sols, ainsi que dans les secteurs de la défense et des
infrastructures civiles. Avec des résolutions de plus en plus importantes, il est possible
aujourd’hui d’atteindre une résolution proche de 1cm pour des satellites
basses orbites et proche de 30 cm pour des satellites haute
orbites. Une question légitime que l’on pourrait se poser est : à quel moment
vais-je réellement avoir besoin d’une telle résolution ?
Prenons l'exemple des catastrophes naturelles : les séismes, les
inondations et les glissements de terrain sont des événements extrêmes et de
plus en plus fréquents à l'échelle mondiale. Après de tels incidents,
l'envoi d'équipes sur le terrain pour évaluer les dégâts est souvent
impossible en raison de l'accès limité, de l'isolement des zones touchées,
ou des risques encourus. Heureusement, nos capacités à observer, surveiller,
et même anticiper et réagir rapidement à ces phénomènes continuent de
progresser. L'imagerie satellitaire et les cartes basées sur cette
technologie sont devenues des outils essentiels pour la gestion des urgences
et des catastrophes. Ces données permettent non seulement d'identifier les
zones à risque, mais aussi de prévoir les événements et de prendre des
mesures pendant les moments de crises. Si l'imagerie 2D a été largement
utilisée jusqu'à présent, l'ajout d'une dimension supplémentaire est
désormais possible grâce à ArcGIS Reality for ArcGIS Pro.
Adressons maintenant un autre thème : le jumeau numérique du
territoire. Nous cherchons aujourd’hui à représenter dans l’outil numérique
le monde physique qui nous entoure afin de visualiser, gérer et planifier
les opérations du quotidien. Un tel projet permet de centraliser les
informations afin de construire l’avenir autour d’un socle commun. Grâce aux
images satellites, ArcGIS Reality for ArcGIS Pro propose des solutions pour
générer rapidement et efficacement des modèles numériques de surface (MNS)
et des photomaillages 3D. Depuis la version 3.3 d'ArcGIS Pro, il est
également possible de créer des "Orthophotos Vraies" à partir de ces images.
Ces types d'orthophotos sont particulièrement utiles pour la cartographie et
la surveillance, car elles offrent une vue aérienne parfaitement
orthogonale, corrigé de toute distorsions et garantissant ainsi une
précision pixel par pixel en 2D.
Ces dernières années, l'accès aux données satellitaires s'est considérablement démocratisé. Pendant des décennies, l'imagerie satellitaire était analysée de manière contextuelle, en extrayant des informations basées sur les valeurs des pixels. Aujourd'hui, grâce aux avancées des algorithmes et à la puissance accrue des ordinateurs, il est possible de réaliser des calculs géométriques (photogrammétrie) à partir de multiples vues satellitaires d'une même zone.
Localement, il est ensuite possible de compléter la production des données
2D et 3D produites à partir d’images satellites par des données aériennes
traditionnelles ou des vols de drones.
Comment générer des résultats de qualité à partir d'images
satellite ?
Les satellites de nombreux fabricants de capteurs renommés, tels qu'Airbus, Maxar, BlackSky, et autres, effectuent une surveillance périodique de la surface terrestre. Ces fournisseurs permettent de commander des données à la demande en programmant les satellites pour capturer des images d'une zone spécifique. Cela permet aux utilisateurs de personnaliser la collecte de données selon leurs besoins, tout en réduisant les écarts entre les images afin d'optimiser les résultats. Certains capteurs offrent même la possibilité de recueillir simultanément des paires ou triplets d'images stéréoscopiques.
Outre la possibilité de commander l’acquisition d’image, une autre option consiste à accéder aux catalogues d’archives des fournisseurs et à sélectionner les images disponibles les plus appropriées pour générer des résultats de haute qualité.
Afin de garantir un résultat optimal avec Reality for Pro, il est important de respecter certains critères :
- Utiliser des images primaires/standard, non traitées, jusqu'à 4 canaux, accompagnées des RPC (Coefficients Polynomiaux Rationnels) respectifs en entrée.
- S'assurer que la totalité de la zone d'intérêt est couverte par l’imagerie et qu'elle présente une redondance suffisante.
- Choisir la meilleure résolution disponible, en fonction de vos besoins.
- Sélectionner des images avec des différences radiométriques et temporelles minimales (jusqu'à 1-3 ans recommandés).
- S'assurer que les images ne comportent pas de zones couvertes par des nuages.
- Utiliser des masques pour les surfaces planes comme les zones d'eau.
- Optez pour des valeurs d'élévation du soleil avec un angle supérieures à 60 degrés afin de minimiser les zones d’ombres dans vos résultats.
- Sélectionnez à la fois des images de type nadir (1-5 degrés) et des images plus obliques (jusqu'à 20-25 degrés) pour garantir une qualité nette et éviter les occlusions et les lacunes dans les données.
Analysons chacune de ces exigences et les recommandations que nous
proposons pour obtenir des résultats optimaux :
Type d'image
Reality Mapping prend en charge les données d'imagerie non traitées ainsi que
les informations RPC qui les accompagnent. Bien que les fournisseurs
d’imagerie soient capables de fournir des images déjà orthorectifiées ou
projetées en tant que produit, ce type d'images traitées n'est pas approprié
pour ArcGIS Reality for ArcGIS Pro. Il est important de plutôt opter pour de
l’imagerie primaire / standard. Le format GeoTiff (8 ou 16 bits) est
recommandé, bien que d'autres formats soient également supportés (JPEG2000).
Reality Mapping peut fonctionner avec des images multispectrales (avec 3 ou
même 4 bandes) et panchromatiques. Si les deux types d'images sont
disponibles, il est possible de générer un produit Pansharpen afin de
bénéficier de la résolution de l’image panchromatique et de la plage
colorimétrique de l’image multispectrale.
Outre les images unitaires, les fournisseurs d’imagerie offrent souvent la
possibilité d'acheter des images stéréo ou tri-stéréo. Si ces images sont
disponibles pour votre zone d'intérêt, elles peuvent être utilisées et sont
d’ailleurs recommandé afin de limiter les erreurs de reconstruction.
Chevauchement et redondance
Une exigence fondamentale pour une reconstruction réussie est de garantir une
couverture correcte de la zone d'intérêt et un chevauchement adéquat entre les
images. La reconstruction photogrammétrique repose sur le principe géométrique
selon lequel un point dans l'espace 3D doit être visible sur plusieurs images
à partir de perspectives différentes pour être reconstruit. Le minimum absolu
est de deux images (stéréo), mais il est toujours recommandé d'en avoir plus.
En d'autres termes, il faut des images redondantes de la même zone et capturer
la scène à partir de différents points de vue. En adaptant ce principe aux
données satellitaires et en tenant compte de la disponibilité typique des
données archivées, il est conseillé d'avoir au moins 5 à 10 images se
chevauchant fortement. Il est certain qu'un plus grand nombre d'images réduit
la probabilité de lacunes dans l'information. Le chevauchement recommandé
entre les images doit être aussi élevé que possible. Idéalement, la zone
d'intérêt devrait être entièrement couverte par chaque image.
Empreintes des images et chevauchement au-dessus de notre zone
d'intérêt. Capture de données avec le capteur
Pleiades Neo d'Airbus. Traitées avec ArcGIS Reality for ArcGIS Pro.
Pleiades Neo d'Airbus. Traitées avec ArcGIS Reality for ArcGIS Pro.
Résolution
La qualité des résultats est directement liée à la résolution des données
d'entrée. La résolution d'entrée doit donc être choisie en fonction des
exigences de chaque application. En règle générale, les capteurs commerciaux
modernes de plusieurs fournisseurs ont une résolution de 30 à 50 cm.
Temps d'acquisition
Avec les constellations de satellites disponibles, des endroits à la surface
de la Terre sont visités régulièrement et les images correspondantes peuvent
être trouvées dans les archives du fournisseur. Cependant, il faut souvent des
mois pour revisiter la même zone et il y a de fortes chances que la zone ait
subi des changements entre deux captures consécutives (par exemple, en raison
de chantiers de construction en cours, de modifications du paysage, de
catastrophes naturelles, d'effets saisonniers). Pour obtenir des résultats
optimaux, la période d'acquisition des données doit être aussi courte que
possible, idéalement entre 1 et 3 ans. Il s'agit de minimiser les changements
significatifs de la scène, à moins que le projet nécessite spécifiquement des
données à des fins de détection des changements, par exemple à la suite d'une
catastrophe naturelle. Pour réduire l'impact des effets saisonniers, il est
conseillé de sélectionner des images de la même saison de l'année afin
d'atténuer les changements radicaux tels que les variations de l'apparence de
la canopée. Ceci est à prendre en compte en particulier dans les régions où
ces changements sont plus prononcés et plus fréquents.
Couverture nuageuse
La couverture nuageuse est un autre facteur à prendre en compte lors de la
sélection des images d'entrée. Idéalement, la couverture nuageuse devra être
minimale (proche de 0%) afin d'éviter les manques d'information ou le bruit
dans nos résultats.
Exemple d’artefacts lié à la présence de nuages dans les images. Ici le
bruit généré dans le photomaillage 3D rend la zone
inexploitable. Capture de données avec le capteur Pleiades Neo d'Airbus. Traitées avec ArcGIS Reality for ArcGIS Pro.
inexploitable. Capture de données avec le capteur Pleiades Neo d'Airbus. Traitées avec ArcGIS Reality for ArcGIS Pro.
Gestion des masses d'eau
Les zones aquatiques (telles que les mers, les lacs, les rivières, etc.), en
particulier les plus grandes, jouent un rôle crucial dans la qualité des
résultats et les temps de traitement. Leur mouvement continu, combiné aux
conditions de réflexion changeantes, peut introduire du bruit dans les
résultats. Cependant, nous proposons une solution : en utilisant des polygones
3D qui attribuent une valeur d'élévation à ces zones d'eau (« Waterbody
Features » dans Reality for Pro), nous pouvons améliorer les performances et
éliminer le bruit potentiel.
Angle d'élévation du soleil
Il est recommandé d'utiliser des images avec un angle d'élévation du soleil de
60° ou plus afin de réduire les zones d'ombre dans les résultats.
Angle de visualisation
Pour maximiser la précision et l'exhaustivité des données et obtenir des
résultats visuels attrayants, il est essentiel de sélectionner une combinaison
appropriée d'angles d'incidence et de décadrage entre les images. Par
définition, l'angle d'incidence/off-nadir est formé entre la normale au sol et
la direction d'observation, souvent appelée « direction de visée ». Par
conséquent, plus l'angle est faible, plus l'image est « nadir ». Les images
« nadir » nous fournissent des informations sur la géométrie des
objets vu d'en haut - par exemple, l'image d'un hangar d'aviation ressemblera
à un rectangle – alors que des images avec une direction de visée plus oblique
nous fournissent des informations importantes pour la reconstruction des
éléments verticaux comme les façades de bâtiments ou encore les falaises ou
pans de montagne abrupte. La sélection de la combinaison optimale d'angles
d'incidence peut s'avérer complexe. D'une manière générale, nous recommandons
une combinaison de plusieurs images de type nadir (angle d'incidence inférieur
à 5 degrés) et de quelques images obliques (jusqu'à 20-25 degrés). Cela dit,
les vues obliques extrêmes ne sont pas bénéfiques, car elles ne sont pas
combinées de manière optimale avec les vues de type nadir dans le flux de
travail photogrammétrique. Il est donc important de sélectionner soigneusement
les images pour couvrir toutes les directions du regard lorsque cela est
possible (par exemple, les quatre façades des bâtiments) afin d'éviter les
zones sombres et les lacunes en matière d'information.
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Deux images de la même zone capturées sous différents angles
d'incidence. Capture de données avec le capteur Pleiades Neo d'Airbus. |
Exemples de résultats obtenus à l’aide de ArcGIS Reality for ArcGIS Pro
en utilisant les produits Ortho Vraie et Photomaillage 3D !
Marseille
Voici la ville de Marseille en France, nous avons utilisé ici 9 scènes issue
de trois images tri-stéréo avec leurs RPC respectifs. Les données ont été
capturées par les capteurs Pléiades Neo d’Airbus entre mai et juin 2024.
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Vue de l’Ortho Vraie au niveau de l’Orange Vélodrome de
Marseille. Capture de données avec le capteur Pleiades Neo
d'Airbus. Traitées avec ArcGIS Reality pour ArcGIS Pro. |
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Vue en photomaillage 3D de l’Orange vélodrome, Marseille. Capture
de données avec le capteur Pleiades Neo d'Airbus.
Traitées avec ArcGIS Reality for ArcGIS Pro. |
Tokyo
Regardons à présent la ville de Chuo à Tokyo. Pour ce processus de Reality
Mapping, nous avons utilisé 11 scènes avec leurs RPC respectifs. Les
données ont été capturées par les capteurs Pleiades Neo d'Airbus
entre 2021 et 2023 et téléchargées à partir des archives OneAtlas
d'Airbus.
Vue de l’Ortho Vraie au niveau de la gare centrale de Tokyo.
Capture de données avec le capteur Pleiades Neo d'Airbus.
Traitées avec ArcGIS Reality for ArcGIS Pro.
Traitées avec ArcGIS Reality for ArcGIS Pro.
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Vue en photomaillage 3D du quartier de Chuo, Tokyo. Capture de
données avec le capteur Pleiades Neo d'Airbus.
Traitées avec ArcGIS Reality for ArcGIS Pro.
Traitées avec ArcGIS Reality for ArcGIS Pro.
Sydney
Voici la ligne d'horizon de Wynyard à Sydney ! Pour ces
résultats, 15 scènes Airbus Pleiades Neo ont été utilisées au
printemps 2022 et traitées avec ArcGIS Reality pour ArcGIS
Pro.
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Vue rapprochée de Sydney de l’Ortho Vraie. Capture de données
avec le capteur Pleiades Neo d'Airbus.
Traitées avec ArcGIS Reality for ArcGIS Pro. |
Traitées avec ArcGIS Reality for ArcGIS Pro
