Bretar, Frédéric (2006) Couplage de données laser aéroporté et photogrammétriques pour l'analyse de scènes tridimensionnelles. PhD thesis Traitement du signal et des images, ENST - TSI Traitement du Signal et des Images, ENST.

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Abstract

L'interprétation de scènes tridimensionnelles dans un contexte cartographique met en jeu de nombreuses techniques, des plus traditionnelles, comme la photogrammétrie à partir d'images aériennes, jusqu'aux plus récentes, comme l'altimétrie laser. Si la photogrammétrie intègre les traitements géométriques liés à l'orientation des images, ainsi que le calcul des altitudes associées à chaque pixel par des processus de corrélation, les systèmes laser aéroportés (capteurs actifs) intègrent un mécanisme de géoréférencement direct (couplage Inertie-GPS) des impulsions lumineuses émises, fournissant ainsi une représentation de la topographie sous la forme d'un nuage de points 3D.
Les objectifs de cette thèse étaient dans un premier temps de valoriser de manière autonome les données 3D issues de la technologie laser, compte tenu de leur caractère novateur, puis d'étudier divers aspects de l'intégration de ces données à un savoir-faire photogrammétrique. Nous nous sommes donc intéressés dans une première partie à l'extraction automatique de points laser appartenant au sol (paysages urbains et ruraux). L'analyse de ces points sol nous a menés à la recherche d'une modélisation dense du terrain sous la forme d'une grille régulière d'altitude à travers la définition d'un modèle bayésien de régularisation de surface. Les points appartenant à la composante sursol, dans le cadre de l'étude du milieu urbain pour la modélisation du bâti, ont été analysés à la lumière d'un algorithme de recherche de primitives planes (facettes de toits) basé sur une modification de l'estimateur robuste RANSAC.
La seconde partie concerne l'étude effective du couplage des techniques laser et photogrammétriques. Il s'agit d'utiliser conjointement la grande précision des mesures laser (<5 cm pour la composante altimétrique sous certaines conditions) avec d'une part la radiométrie issue des images aériennes, mais aussi avec les images d'altitudes correspondantes. La confrontation des géométries issues de ces deux systèmes fait apparaître des décalages tridimensionnels non linéaires possiblement liés aux dérives temporelles des mesures inertielles. Un algorithme de recalage adapté à la géométrie d'acquisition des bandes laser a donc été mis en place, assurant a posteriori, une cohérence des géométries aussi bien 2D que 3D. À partir d'une mise en correspondance locale des surfaces, un mécanisme de corrections par fenêtres glissantes simule les dépendances temporelles des variations, sans imposer de modèle global de déformations.
Enfin, nous avons exprimé la complémentarité des deux systèmes à travers l'extraction de facettes 3D de bâtiments par un mécanisme de segmentation hiérarchique d'images basé sur la définition d'une énergie d'agrégation de régions élémentaires dépendant à la fois des informations présentes dans l'image, des points laser et de la classification préalablement effectuée.

References

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Table of content

The analysis of tridimensional scenes in a cartographic context requires many different techniques, from the most traditional ones, as photogrammetry using aerial images, until the most recent ones, as laser altimetry. If photogrammetry integrates geometrical processes related to the calculation of image orientations, as well as to the calculation of altitudes associated to each pixel by correlation processes, airborne laser systems (active sensors) integrate a mechanism of direct georeferencing (coupling inertial measurements and GPS) of laser pulses, providing finally a representation of the topography as a 3D point cloud.
The aims of this thesis were, at first and considering their innovative nature, to valorize 3D laser data by autonomous processes , and secondly, to study various aspects of how integrating these data into a photogrammetric know-how.
We have been therefore interested in a first part to the automatic extraction of laser points belonging to the ground (rural and urban landscapes). The analysis of these ground points has led us to model the terrain as a dense and regularly distributed surface through the definition of a bayesian model. Within the context of building reconstruction, off-ground points, have been analyzed in light of a 3D planar primitive extraction algorithm (roof facets) based on a modified robust RANSAC estimator.
The second part of the thesis concerns the effective study of how coupling laser and photogrammetric techniques.
The problem is to use jointly the high precision of laser measurements (<5 cm concerning the altimetric component under certain conditions) on the one hand, with the radiometry of aerial images, and on the second hand, with corresponding altitude images. 3D non linear discrepancies have been remarked between the topography seen through both geometries. These are possibly linked to temporal drifts of the inertial measurement system. An algorithm for correcting these offsets has been adapted to the laser acquisition geometry by strips. From a local matching of both surfaces, a correction mechanism by sliding windows have been applied in order to simulate temporal dependencies of the observed discrepancies.
Finally, we have expressed the complementarity of both systems through the extraction of 3D building facets using a hierarchical image segmentation algorithm. It is based on region aggregation rules which depend on image information, laser point and the preprocessed laser point classification.

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