Titre journée - Arial - corps 14

10 juin 2016

Le LiDAR aéroporté topo-bathymétrique

pour la caractérisation et le suivi des corridors

fluviaux : premiers résultats et perspectives

Journée Technique

Avancées, apports et perspectives de la télédétection

pour la caractérisation physique des corridors fluviaux

D. Lague1, P. Launeau2, C. Michon3, E. Gouraud3, C. Juge3, W. Gentile3, A. Crave1, L. Hubert-Moy1

1: Observatoire des Sciences de l’Univers de Rennes, CNRS, Univ. Rennes 1 & Rennes 2 2: Observatoire des Sciences de l’Univers de Nantes, Univ. Nantes

3: FIT-CONSEIL, Nantes

Titre journée - Arial - corps 14

Lidar aéroporté topographique • Laser en proche infrarouge (1064 nm)

Mesure précise de la topographie à travers la végétation, mesure de la végétation Pas de pénétration dans l’eau

Echos de surface d’eau

Absence de données bathymétriques

Etangs et rivières proche de Gisors

Données Lidar Titan (1064 nm)

Quid de la bathymétrie ?

Titre journée - Arial - corps 14

Bathymétrie fluviale : techniques synoptiques existantes • Méthodes spectrales (imagerie aérienne ou satellite) (e.g., Legleiter et al., 2015)

Mesure synoptique, jusqu’à 5-10 cm de précision et résolution (aérien) Sensible à l’ombrage Besoin de calibration in situ Limité aux fonds visibles faibles profondeurs Pas de mesure de la topographie et de la végétation

• Structure From Motion & Stéréo Photogrammétrie par UAV/drone Correction de réfraction dans l’eau complexe, mais possible Difficultés liées aux ombrages, aux effets de surface d’eau, végétation aquatique Limité aux fonds visibles faibles profondeurs Pas de pénétration à travers la végétation Difficulté de mise en œuvre sur de grandes surfaces

Woodget et al., ESPL, 2015 with UAS-SfM :

precision verticale < 10 cm, résolution horiz : 10 cm

Titre journée - Arial - corps 14

Haute résolution horizontale: 20-30 cm

Haute densité: > 5-20 pts/m²

Haute précision & exactitude: < 10 cm vertical

Retour d’onde complet

Lidar Topo-Bathymétrique

Ne pas confondre avec lidar bathymétrique

(hawkeye, shoals,…):

• Tache laser 10x plus large (2-3 m)

• Pénétration plus grande mais faible capacité

sur les zones peu profondes (< 1 m)

• Cout mobilisation > 1000 € km²

Instruments : Leica Chiroptera, Riegl VQ-880G, Optech Titan

See McKean et al., (2009) (NASA EEARL)

Mandlburger et al., (2015) (RIEGL), Pan et al., (2015) (OPTECH).

Titre journée - Arial - corps 14

Lidar Optech TITAN DW • Instrument de recherche co-acquis par l’Université de Nantes & Rennes

Financé, par région Pays de la Loire, Région Bretagne et FEDER

Mise en œuvre dans le cadre d’un partenariat de recherche public/privé avec FIT-CONSEIL

Ouverture au secteur académique, publique et privé pour l’acquisition de données

• Caractéristiques vol topo-bathymétrique

Altitude de vol entre 300-350 m

Exactitude verticale: < 5-10 cm, Précision: < 10 cm

Densité de points (1 seul passage):

Bathymétrie: 15-20 pts/m² (par passage)

Topographie: 30-40 pts/m² (532 + 1064 nm)

Utilisation comme un lidar topographique standard (à très haute résolution)

1064 nm 532 nm

Titre journée - Arial - corps 14

A’

A

A A’

Vert : Partie émergée du canal 532 nm

Rouge : canal 1064 nm (pas de pénétration dans l’eau)

Bleu : bathy du canal 532 nm

Partie émergée du canal vert (532 nm)

et bathymétrie du canal vert

Chemin

de fer

© Dimitri Lague, OSUR, visualisation et calcul sous CloudCompare

Vue Google Earth (janvier 2013)

Cables

electriques

Fossé inondé détecté sous la végétation

Section transversale

Titre journée - Arial - corps 14

Mêmes données sans les parties

émergées

Vue Google Earth (janvier 2013)

© Dimitri Lague, OSUR, visualisation et classification sous CloudCompare

Exemple d’une zone

forestière mesurée en

une seule ligne à plus de

60 pts/m² en combinant

canal 532 nm et 1064

nm

Détection de fossés en eau sous la canopée

© Dimitri Lague, OSUR, visualisation et calcul sous CloudCompare

Titre journée - Arial - corps 14

Exemple du levé de la basse vallée de l’Ain (data courtesy of Electricité De France)

Challenge opérationnel : le post-traitement automatique

• Détection des zones immergées

• Détecter précisément la surface d’eau

• Corriger des effets de réfraction dans l’eau

• Classifier automatiquement les données (fond, végétation, berges, etc…)

1 journée d’acquisition, ~ 10 milliards de points, ~ 900 Go Data

35 km

Titre journée - Arial - corps 14

Titre journée - Arial - corps 14

Sol (gris) et bathymétrie (couleur)

Titre journée - Arial - corps 14

Titre journée - Arial - corps 14

Caractérisation des faciès d’écoulement

Cartographie des profondeurs d’eau

Fort potentiel des données topo-bathymétrique + ripisylve:

Cartographie des pentes hydrauliques, de la rugosité, de l’ombrage,….

Simulation d’écoulement pour prédiction de vitesses et d’habitat

Suivi d’évolution, transferts sédimentaires

…

Titre journée - Arial - corps 14

Echos discrets vs retour d’onde complet

Titre journée - Arial - corps 14

Bilan sur les profondeurs atteintes Echos discrets :

• 1.5 - 2 m avec fond clair : Vieux Rhin, Canal du Rhin, Sélune

• Jusqu’à 4 m en eau claire et fond clair (Vallée de l’Ain)

• Végétation aquatique réduit fortement la profondeur de pénétration

Retour d’onde complet :

• Traitement standard constructeur : 20 à 30 % de grain en profondeur

• Bathymétrie de la vallée de l’Ain mesurée à 95 %

• Jusqu’à 10 m de profondeur en domaine cotier (sable + eau claire)

• Possibilité d’atteindre des profondeurs plus/échos plus faible (e.g.,

végétation) en améliorant le traitement du retour d’onde complet

Profondeur minimum détectable ~ 10 cm

Titre journée - Arial - corps 14

Critères de succès d’un vol topo-bathymétrique

Absorption réduite du laser vert (532 nm)

Turbidité minérale et organique la plus faible Niveau d’eau le plus faible

Conditions d’été

Conditions d’hiver

≠

Couvert végétal réduit

Meilleure caractérisation des berges Absence de végétation aquatique

Météo favorable au vols

Optimisation de la saison de vol en fct du type de corridor fluvial

Titre journée - Arial - corps 14

Topographie Végétation Bathymétrie Cout Linéaire

Lidar topo €€ > 10 km

Photo/SFM drone € < 10 km

Méthode spectrale € 1 – 100 km

Lidar topo-bathy €€€ > 10 km

Cout acquisition + traitement données + orthophoto sur 50 km de l’Ain ~ 800 €/km

Cout acquisition + traitement en configuration optimale : 200-500 €/km²

Comparaison avec autres techniques synoptiques

Titre journée - Arial - corps 14

• Seule technique offrant une mesure simultanée de la topographie, de la bathymétrie et de la ripisylve sur de grands linéaires.

• Très bon résultats sur les rivières énergétiques et mobiles (type Ain).

• Capacité de détection de surface immergée sous la canopée

• Enjeux pour rendre la méthode encore plus opérationnelle:

• Prédire la profondeur de pénétration dans différentes rivières et optimiser les périodes de vol

• Développer des méthodes automatiques de classifications de données 3D massives: berges, végétation, seuils, canaux, … (thèse débutant en octobre 2016)

• Améliorer la détection des échos faibles et l’analyse du retour d’onde complet pour la caractérisation de la tranche d’eau (turbidité, nature du fond, …)

• Former à l’utilisation des données et informer sur les applications de ces nouvelles données.

Conclusions

Titre journée - Arial - corps 14

Algorithmes de traitement de nuage de points en contexte fluvial (gratuits)

CloudCompare (D. Girardeau-Montaut, EDF R&D)

~ 3D GIS toolbox: 3D Visualization, Sub-sampling, Gridding, Attribute based segmentation, Registration, Meshing, PC distance,

Volume, Variety of I/O formats,…

CANUPO (Brodu and Lague, 2012)

Classification 3D (vegetation, …)

M3C2 (Lague et al., 2013)

Détection changement en 2D ou 3D

Raw data : 7 Oct

Raw data : 8 Oct

Vegetation classification

Carte d’érosion/sédimentation

Titre journée - Arial - corps 14

Merci de votre attention.

Pour plus d’infos : www.lidar-nantes-rennes.eu (en cours de construction)