Metrology with light aerial photogrammetry : application to dykes monitoring

En embarquant un appareil photo grand public de bonne qualité sur un drone ou un ULM, il est aujourd'hui possible de réaliser de manière 100% automatique des modélisations 3D visuellement « parfaites » ou en tout cas suffisante tant que ce modèle est utilisé comme support de communication. Par contre, les performances de ces méthodes sont encore mal maîtrisées dans le contexte où l'on veut utiliser le modèle comme outil de mesure. Les géométries d'acquisition linéaires, propices aux dérives de bandes photogrammétriques, en sont un exemple représentatif. Un phénomène de courbure de bande est alors constaté, nécessitant un travail de mesure terrain conséquent pour être corrigé. Ces imprécisions limitent l'intérêt de telles acquisitions, et sont un défi pour la communauté des photogrammètres, le marché naissant du drone, mais aussi de multiples industriel ayant un intérêt fort pour des systèmes capables d'assurer un suivi de mouvement 3D des sols avec une précision de quelques millimètres (par exemple suivi de digues, érosion agraire, surveillance de réseaux ferrés,...). Cette thèse est un projet de recherche issu d'un partenariat entre l'Institut National de l'Information Géographique et Forestière (IGN), et la Compagnie Nationale du Rhône (CNR), concessionnaire chargé d'entretenir et surveiller le réseau de digues de retenue du fleuve. Il s'agit - à partir de moyens aériens légers - d'arriver à un système d'auscultation plus rapide, plus économique et offrant une géométrie plus fine que les systèmes topométriques utilisés actuellement. Nous présentons tout d'abord une étude comparative des moyens aériens légers, montrant l'intérêt et les limitations des drones face aux ULM. Nous proposons des procédures d'acquisition adaptées aux géométries étudiées, permettant de limiter de manière opérationnelle les dérives. Dans un second temps, nous montrons que les phénomènes de courbure sont liés à des modèles d'orientation internes inadaptés, et nous proposons une procédure d'auto-calibration en trois étapes. Nos essais menés sur des chantiers linéaires montrent que le calcul des orientations est sensiblement amélioré (d'écarts métriques à des écarts centimétriques). Dans un troisième temps, nous proposons une optimisation de la compensation sur les points d'appuis, permettant de diminuer le nombre de mesures nécessaires. Enfin, nous présentons des méthodes pour contrôler l'incertitude des modèles 3D générés, et à travers une analyse diachronique, des exemples de suivi d'évolution permettant de suivre finement l'évolution de tels ouvragesBy embarking a good quality consumer grade camera on an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) or on an ultralight system, it is possible to create – fully automatically – 3D models that are visually ''perfect'', or at least sufficient for visual or communication purposes. However, the accuracy of these methods is still a concern, especially if the resulting models are to be used as measuring tools. Linear acquisitions – also known as corridor mapping – are a striking example of the uncontrolled error propagation. A bowl effect is often observed, requiring multiple ground measurements to be overcome. These effects restrict the interest of such acquisitions. They are a challenge for the photogrammetrists community, the emerging civil UAV market, as well as many industrials interested in systems able to monitor ground deformations with an accuracy within a few millimeters (railway network surveillance, erosion of agricultural land, embankments monitoring,…).This thesis is an applied research project, led with a river concessionary which has the responsibility to maintain and keep under surveillance its containment dykes network. The purpose is to use light aerial systems as a mean for a monitoring system which is faster, cheaper, and more detailed than the topometric solutions used so far. First of all, we present a comparative study to understand, between UAVs and ultralight system, which tool is the most adapted for a specific need. We propose refined acquisition procedures, than can be used to limit operationally the drifts. In a second phase, we identify the internal camera model as the weak link, and propose a three steps auto-calibration procedure. Our tests led on linear acquisitions demonstrate that the external orientations accuracy are noticeably improved (from decimetric or even metric disparities, reduced to a few centimeters or less). In a third part, we propose an optimization of the adjustment on the ground control points, which is a way to limit the amount of ground measurements necessary. Finally, we present methods to control 3D models uncertainty, and through a diachronic analysis, examples of how such data can be used to monitor such structures through tim