Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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WO 2017/203179
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PROCEDE DE DETERMINATION DU DEBIT D'UN COURS D'EAU
Domaine technique
La présente invention concerne un procédé de
détermination du débit d'un cours d'eau par capture et
traitement d'images. Cette détermination ou mesure de
débit s'inscrit dans le cadre d'une surveillance de
cours d'eau. L'invention s'applique plus
particulièrement à la surveillance de rivières à lit
mobile.
Etat de la technique
On connait le brevet FR2993683 qui porte sur un procédé
de détermination d'un paramètre d'observation associé à
une surface d'eau par imagerie. Ce procédé requiert
l'utilisation d'un support visuel, tel qu'une échelle
limnimétrique, au moins partiellement immergé pour
déterminer la hauteur de la surface d'eau en un point
du cours d'eau. La hauteur d'eau est déterminée en
capturant et traitant des images de ce support visuel.
Le problème est que ce support visuel peut être dégradé
ou déplacé lors de crues.
Résumé de l'invention
Un objet de l'objet de l'invention est de proposer un
procédé de détermination d'un débit d'un cours d'eau ne
nécessitant aucun support visuel ou instrument immergé
dans le cours d'eau.
Un objet de l'invention est de proposer un procédé
permettant de déterminer régulièrement et aisément le
débit de cours d'eau à lit mobile, notamment en crue.
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Selon l'invention, le débit est déterminé par capture
et traitement d'images. Le débit est calculé en
évaluant le volume d'eau qui s'écoule en une seconde
dans une ou plusieurs sections transversales (ou
transects) du cours d'eau. Le débit calculé est à
partir de la vitesse d'écoulement du flux, de la
morphologie du fond du cours d'eau et de la hauteur de
la surface d'eau au niveau de cette section
transversale.
A cet effet, l'invention concerne un procédé de
détermination du débit à travers au moins une section
transversale d'un cours d'eau, notamment à lit mobile,
ladite au moins une section transversale étant présente
dans un site dit d'observation du cours d'eau, ladite
détermination de débit étant réalisée par capture
d'images du site d'observation au moyen d'au moins une
caméra, chaque point desdites images ayant des
coordonnées images dans un référentiel image,
ledit procédé comportant les étapes suivantes:
- pendant une phase préliminaire,
= détermination, pour ladite au moins une caméra,
d'un modèle dit de conversion pour convertir les
coordonnées image de points dans les images fournies
par la caméra en coordonnées cartographiques dans un
repère cartographique, et, inversement, pour convertir
les coordonnées cartographiques de points en
coordonnées image dans le référentiel image de la
caméra,
= mesure de la topographie du site d'observation
en période d'étiage, de préférence lorsque le cours
d'eau est à sec, de manière à générer un modèle
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numérique de terrain géoréférencé du site d'observation
dont les points sont référencés dans un repère
cartographique,
= conversion du modèle numérique de terrain
géoréférencé dans le référentiel image au moyen dudit
modèle de conversion de la caméra de manière à générer
un modèle numérique de terrain dit image,
- pendant une phase dite d'observation,
= détermination de la hauteur de la surface d'eau
au niveau de ladite au moins une section transversale
par extraction d'une zone en eau dans les images
capturées par la caméra et superposition de ladite zone
en eau et dudit modèle numérique de terrain image,
= détermination de la vitesse d'écoulement dans
des colonnes d'eau présentes au niveau de ladite au
moins une section transversale, et
= détermination du débit d'eau à travers ladite
au moins une section transversale à partir de ladite
vitesse d'écoulement, de ladite hauteur de surface
d'eau et du modèle numérique de terrain image.
Selon un mode de réalisation particulier, le modèle de
conversion de chaque caméra est généré par les étapes
suivantes:
- acquisition, par mesure géodésique, des coordonnées
cartographiques de points de référence présents dans le
site d'observation,
- capture, par ladite caméra, d'au moins une image de
ladite zone d'observation comprenant lesdits points de
référence, et
- génération du modèle de conversion de ladite caméra
par mise en relation des coordonnées image des points
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de référence dans l'image avec les coordonnées
cartographiques desdits points de référence.
Les points de référence sont par exemple des cibles
réfléchissantes réparties uniformément sur le site
d'observation pendant la phase préliminaire.
Selon un mode de réalisation particulier, les
coordonnées cartographiques des points de référence
sont fournis par un outil de mesure ayant une précision
centimétrique, tel qu'un récepteur GPS différentiel (ou
DGPS) ou un tachéomètre.
Selon un mode de réalisation particulier, le modèle
numérique de terrain géoréférencé est généré par
stéréo-photogrammétrie selon les étapes suivantes:
- génération, dans un repère relatif, d'un modèle
numérique de terrain du site d'observation par stéréo-
photogrammétrie à partir d'images capturées par au
moins deux caméras présentes sur le site d'observation,
lesdites images capturées comportant des points de
référence dont les coordonnées cartographiques sont
prédéterminés, et
- géoréférencement du modèle numérique de terrain par
mise en relation des coordonnées desdits points de
références dans le repère relatif avec les coordonnées
cartographiques desdits points de référence.
Les points de référence peuvent être les points de
référence employés pour la génération du modèle de
conversion ou bien d'autres points de référence,
temporaires ou non, dont les
coordonnées
cartographiques sont connues.
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Selon un mode de réalisation en variante, le modèle
numérique de terrain du site d'observation n'est pas
généré à partir d'images capturées par les caméras du
site d'observation. Selon cette variante, le modèle
5 numérique de terrain (MNT) est généré par stéréo-
photogrammétrie à partir d'images ayant une meilleure
résolution, par exemple à partir d'images (ou photos)
capturées à l'aide d'un appareil photo numérique par un
opérateur. Dans cette variante, le modèle numérique de
terrain géoréférencé est généré par stéréo-
photogrammétrie selon les étapes suivantes:
- génération, dans un repère relatif, d'un modèle
numérique de terrain du site d'observation par stéréo-
photogrammétrie à partir d'images du site d'observation
capturées par un dispositif de capture, tel qu'un
appareil photo numérique, lesdites images issues du
dispositif de capture ayant une résolution supérieure
aux images issues des caméras du site d'observation,
lesdites images capturées comportant en outre des
points de référence dont les coordonnées
cartographiques sont prédéterminés, et
- géoréférencement du modèle numérique de terrain par
mise en relation des coordonnées desdits points de
références dans le repère relatif avec les coordonnées
cartographiques desdits points de référence.
Selon un mode de réalisation particulier, la vitesse
d'écoulement dans les colonnes d'eau au niveau de
ladite section transversale est déterminée par une
technique de vélocimétrie d'image de particule ou PIV
(pour Particule Image Velocimetry dans la littérature
anglo-saxonne) appliquée à des traceurs, tels que des
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points d'écume et/ou des vaguelettes, présents à la
surface de l'eau pour déterminer la vitesse
d'écoulement en surface dans les images capturées puis
déterminer la vitesse d'écoulement dans les colonnes
d'eau au niveau de ladite section transversale par
application d'un modèle prédéterminé aux vitesses
d'écoulement en surface. Ce modèle prédéterminé est par
exemple un modèle empirique configuré avec des mesures
in situ.
Selon un mode de réalisation particulier, la hauteur de
la surface d'eau est déterminée par les étapes
suivantes:
- extraction de la zone en eau sur les images capturées
par la caméra, et
- superposition de la zone en eau extraite et du modèle
numérique de terrain image de manière à ne conserver
que la portion du modèle numérique de terrain image
correspondant à la zone en eau extraite, la hauteur de
surface d'eau au niveau de la section transversale
correspondant au point le plus haut du modèle numérique
de terrain image au niveau de la section transversale.
Selon un mode de réalisation particulier, la zone en
eau est détectée dans les images par détection des
zones en mouvement dans les images.
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé
comporte avantageusement une étape supplémentaire de
détection des zones de végétation dans les images,
lesdites zones de végétation étant déduites des zones
en mouvement pour former la zone en eau. La zone en eau
détectée est alors plus fiable.
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Selon un mode de réalisation en variante, la zone en
eau est détectée dans les images par calcul de la
variance et la luminosité moyenne des pixels des
images, la zone en eau correspondant aux pixels dont la
variance et la luminosité moyennes sont supérieures à
des seuils prédéfinis.
L'invention concerne également un procédé portant
uniquement sur la détermination de la hauteur de la
surface d'eau au niveau d'une section transversale (ou
transect) du cours d'eau. A cet effet, l'invention
concerne également un procédé de détermination de la
hauteur de la surface d'eau au niveau d'au moins une
section transversale d'un cours d'eau, ladite section
transversale étant présente dans un site dit
d'observation du cours d'eau, ladite détermination de
hauteur étant réalisée par capture d'images du site
d'observation au moyen d'au moins une caméra, chaque
point desdites images ayant des coordonnées images dans
un référentiel image,
ledit procédé comportant les étapes suivantes
- pendant une phase préliminaire dite de
géoréférencement,
= Détermination, pour ladite au moins une caméra,
d'un modèle dit de conversion pour convertir les
coordonnées image de points dans les images
fournies par la caméra en coordonnées
cartographiques dans un repère cartographique et,
inversement, pour convertir les coordonnées
cartographiques de points en coordonnées image
dans le référentiel image de la caméra,
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= mesure de la topographie du site d'observation
en période d'étiage, de préférence lorsque le
cours d'eau est à sec, de manière à générer un
modèle numérique de terrain géoréférencé du site
d'observation dont les points sont référencés
dans un repère cartographique,
= conversion du modèle numérique de terrain
géoréférencé dans le référentiel image au moyen
dudit modèle de conversion de la caméra de
manière à générer un modèle numérique de terrain
dit image,
- pendant une phase dite d'observation,
= extraction de la zone en eau sur des images
capturées par la caméra, et
= superposition de la zone en eau extraite et du
modèle numérique de terrain image de manière à ne
conserver que la portion du modèle numérique de
terrain correspondant à la zone en eau extraite,
la hauteur de surface d'eau au niveau de la
section transversale correspondant au point le
plus haut du modèle numérique de terrain image au
niveau de la section transversale.
Brève description des figures
¨ La figure
1 est une vue schématique d'une
section transversale d'un cours d'eau à travers
laquelle est mesuré le débit du cours d'eau,
La figure 2 est un organigramme montrant les
étapes du procédé de l'invention, et
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Les figures 3a et 3b illustrent le modèle de
conversion;
Description détaillée de l'invention
L'invention sera décrite dans le cadre dans la
détermination du débit d'un cours d'eau à partir
d'images capturées par des caméras disposées sur le
tablier d'un pont enjambant ledit cours d'eau. Les
caméras employées sont par exemple des caméras
habituellement utilisées pour des applications de
surveillance.
Selon l'invention, le débit est calculé en évaluant le
volume d'eau qui s'écoule en une seconde dans une ou
plusieurs sections transversales S d'un cours d'eau C
comme représenté à la figure 1. Selon l'invention, le
débit calculé est à partir de la vitesse d'écoulement
du flux, de la morphologie du fond du cours d'eau et de
la hauteur de la surface d'eau au niveau de cette
section transversale.
La figure 2 est un schéma récapitulant les étapes du
procédé de l'invention. Il comporte cinq étapes
référencées El à E5. Les étapes El et E2 sont exécutées
pendant une phase préliminaire dite de géoréférencement
et les étapes E3 à E5 sont réalisées pendant une phase
d'observation (ou de surveillance) du cours d'eau.
Plus spécifiquement, le procédé comprend les étapes
suivantes:
- étape El: détermination d'un modèle de conversion
pour chaque caméra du site;
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- étape E2: mesure de la topographie du site
d'observation en période d'étiage;
- étape E3: détermination de la hauteur de la surface
d'eau au niveau de chaque section transversale,
5 - étape E4: détermination de la vitesse d'écoulement de
colonnes d'eau au niveau de chaque section
transversale, et
- étape E5: détermination du débit d'eau à travers de
chaque section transversale.
10 Selon l'invention, les calculs réalisés aux étapes E3 à
E5 sont réalisées dans les référentiels images des
caméras installées sur le site d'observation.
Etape El: détermination d'un modèle de conversion pour
chaque caméra du site
Pour tout calcul physique par imagerie, il est
nécessaire de géoréférencer l'image pour connaitre
l'emprise au sol de chaque pixel de l'image et leur
résolution réelle dans un référentiel cartographique.
Pour cette étape, plusieurs points de référence
temporaires, par exemple des cibles réfléchissantes,
sont disposés sur le site d'observation. Ces points de
référence temporaires sont avantageusement uniformément
répartis sur le site d'observation. La position
cartographique de ces points de référence temporaires
est mesurée à l'aide d'outils de mesure géodésique,
tels qu'un tachéomètre ou GPS différentiel (également
appelé DGPS pour Differential Global Positioning
System).
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Plusieurs images du site d'observation comprenant
lesdits points de référence temporaires sont ensuite
capturées à l'aide de la ou les caméra(s) disposée(s)
sur le site. On dispose alors des coordonnées
cartographiques des points de référence temporaires
(fournis par l'outil de mesure géodésique) et des
coordonnées images de ces points de référence
temporaires dans le référentiel image de chacune des
images fournies par les caméras. Selon l'invention, on
en déduit alors pour chacune des caméras un modèle de
conversion permettant de convertir les coordonnées
image des points d'image dans le référentiel image de
la caméra en coordonnées cartographiques dans un
référentiel cartographique.
Ce modèle permet de déterminer l'emprise au sol de
chaque pixel d'image.
Le modèle de conversion généré est illustré par les
figures 3a à 3b. La figure 3a est une image du site
d'observation affichée dans le repère image d'une
caméra et la figure 3b représente la même image
projetée dans un repère cartographique par application
du modèle de conversion à l'image de la figure 3a.
Etape E2: mesure de la topographie du site
d'observation en période d'étiage
La mesure de la topographie du site d'observation est
réalisée en période d'étiage, de préférence lorsque le
cours d'eau est à sec. Cette étape a pour but de
générer un module numérique de terrain ou MNT.
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Cette étape est réalisée par stéréo-photogrammétrie.
Cette technique se base sur le principe de la vision
stéréoscopique. Deux images d'un même objet acquises
sous des points de vue différents permettent de
reconstruire la géométrie tridimensionnelle de cet
objet. Les images sont corrélées afin de rechercher
entre elles des points homologues. La mesure du
décalage entre ces points homologues permet de calculer
leur position en trois dimensions. Le résultat obtenu
est alors un nuage de points qui est ensuite interpolé
pour obtenir un modèle numérique de terrain.
Les images employées pour la stéréo-photogrammétrie
comportent des points de référence, temporaires ou non,
dont les coordonnées cartographiques sont connues. Ces
points sont par exemple ceux déjà employés pour la
génération du modèle de conversion. Ce sont par exemple
des images capturées par les caméras montées sur le
tablier du pont.
En pratique, on génère tout d'abord, dans un repère
relatif, un modèle numérique de terrain du site
d'observation par stéréo-photogrammétrie à partir
d'images capturées par les caméras du pont. Puis, le
MNT généré est géoréférencé par mise en relation des
coordonnées des points de références dans le repère
relatif avec les coordonnées cartographiques desdits
points de référence.
Il est à noter que le positionnement des caméras sur le
pont et leurs résolutions (plutôt faibles) ne permet
pas toujours d'effectuer une bonne corrélation entre
points homologues, ce qui est indispensable pour le
calcul stéréo-photogrammétrique.
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Par conséquent, selon un mode de réalisation
avantageux, les images utilisées pour cette étape sont
générées par un appareil photographique numérique ayant
une résolution supérieure à celle des caméras, par
exemple de l'ordre d'au moins 10 Mégapixels. X photos
(ou images) tous les N mètres (soit X photos à chaque
position) sont par exemple capturées par un opérateur
se déplaçant le long du pont. Ces X photos sont de
préférence prises avec des angles de visée différents
(dans le plan vertical) de façon à couvrir une zone
étendue en amont du pont.
Un MNT est calculé dans un premier temps, dans un
repère relatif, par stéréo-photogrammétrie à partir des
images capturées par l'appareil photo numérique. Ce MNT
est ensuite géoréférencé par mise en relation des
coordonnées des points de références dans le repère
relatif avec les coordonnées cartographiques desdits
points de référence.
Etape E3: Mesure de la hauteur de la surface d'eau
Cette étape peut être réalisée, au moins partiellement,
en parallèle avec l'étape E4 de mesure de la vitesse
d'écoulement.
Dans la présente méthode, on considère que la hauteur
de la surface d'eau est sensiblement la même le long de
la section transversale. On entend par hauteur de la
surface en eau la valeur de la coordonnée z dans un
repère orthonormé (0,x,y,z).
Selon l'invention, la hauteur d'eau est déterminée de
la manière suivante:
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- extraction de la zone eau dans les images capturées
par les caméras;
- superposition de cette zone en eau extraite et du MNT
image de manière à ne conserver que la portion du MNT
image correspondant à la zone en eau.
La hauteur de surface d'eau au niveau de la section
transversale correspond alors au point le plus haut du
MNT image pour cette section.
L'extraction de la zone en eau peut être réalisée de
différentes manières. Selon l'invention, on prend comme
hypothèse que la zone en eau correspond aux zones en
mouvement dans la séquence d'images filmée. Cette zone
en mouvement est déterminée en calculant le champ de
vitesse par PIV (pour Particle Image Velocimétry en
langue anglaise) dans les images capturées par les
caméras comme cela est décrit plus loin pour l'étape E4
de mesure de la vitesse d'écoulement. Cette zone en
mouvement correspond aux points d'image dont le vecteur
vitesse est non nul.
Cette hypothèse (zone en eau = zone en mouvement)
suppose que le reste de l'image est fixe. Or ce n'est
pas toujours le cas. En effet, la végétation peut
bouger sous l'effet du vent. Aussi, selon un mode de
réalisation avantageux, les zones de végétation sont
exclues de la zone en eau. Les zones de végétation sont
détectées sur la base de critères radiométriques, et
notamment leur couleur (verte).
La détection de la zone en eau peut être calculée en
calculant la variance de la valeur des pixels et leur
luminosité moyenne sur plusieurs images consécutives.
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Ces deux paramètres, combinés ensemble, forme un indice
de présence d'eau. Plus ces paramètres ont une valeur
élevée, plus la probabilité de présence d'eau est
élevée. Par la suite, une technique de seuillage
5 automatique est utilisée pour générer un masque
binaire. Ce masque est de nouveau traité pour supprimer
les points isolés et le bruit.
Une fois que la zone en eau est détectée dans les
images, elle est superposée au MNT image. Seule la
10 portion de MNT correspondant à la zone en eau est
conservée et, comme indiqué plus haut, la hauteur de la
surface d'eau de la rivière correspond alors, pour une
section transversale donnée du MNT, au point le plus
haut de cette section du MNT.
15 Etape E4: Mesure de la vitesse d'écoulement
Cette étape est réalisée sur les mêmes images que
celles pour lesquelles la hauteur d'eau a été calculée.
La vitesse d'écoulement des colonnes d'eau au niveau de
la section transversale est calculée en deux temps:
dans un premier temps, on calcule la vitesse de l'eau
en surface au niveau de la section transversale, puis,
dans un deuxième temps, on calcule la vitesse
d'écoulement des colonnes d'eau toutes entière.
La vitesse de l'eau en surface est mesurée par
vélocimétrie d'image de particule ou PIV (pour Particle
Image Velocimetry en langue anglaise.
La méthode PIV est une méthode optique de mesure de la
vitesse instantanée d'un fluide. Cette méthode est
habituellement utilisée en laboratoire. Le fluide dont
on mesure la vitesse est ensemencé de particules
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passives appelées traceurs qui suivent la dynamique de
l'écoulement. Le fluide, ainsi que les particules sont
éclairées par un laser de telle sorte que les
particules soient visibles. Le flux étant imagé à haute
fréquence, il est possible, grâce à des algorithmes de
corrélation, de suivre une particule sur deux images
consécutives. C'est donc le mouvement des particules
qui permet de calculer le champ de vitesses de
l'écoulement étudié. Dans le cas présent, il est
proposé d'utiliser les embruns, les écumes ou les
vaguelettes présent(e)s à la surface de l'eau comme
traceurs.
Pour chaque couple d'images se succédant dans le temps,
le logiciel de PIV cherche des portions d'image (ou
fenêtres de corrélation) similaires dans une portion
d'image appelée fenêtre de recherche (plus étendue que
la fenêtre de corrélation). Le critère de similarité
est défini de façon statistique. Le décalage entre les
deux fenêtres de corrélation de deux images successives
est en fait la mesure du décalage spatial qui s'est
produit entre les deux images. Connaissant l'intervalle
de temps qui sépare les deux images (1/25 seconde), on
obtient alors une vitesse. Ce processus est réalisé
pour chaque traceur de l'image (une fenêtre de
corrélation est définie autour de chaque point de
l'image) et permet de reconstruire le champ de vitesse.
Cette méthode appliquée aux images du site
d'observation permet d'obtenir un champ de vecteurs
vitesses pour l'ensemble des traceurs et, par
interpolation, pour l'ensemble des points de chacune
des images. Avant conversion dans le référentiel
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cartographique, le champ de vecteurs, qui est exprimé
en pixel par seconde (pixels/s), montre une vitesse
plus importante dans les zones du site les plus proches
de la caméra (en champ proche). Le passage dans un
repère cartographique à l'aide du modèle de conversion
défini à l'étape El, permet d'obtenir des vecteurs
vitesses exprimés en mètres par seconde (m/s) et permet
de corriger les distorsions engendrées par
l'inclinaison de la caméra.
La vitesse mesurée par la méthode PIV est une vitesse
du flux en surface. Pour calculer le débit, il est
nécessaire de déterminer la vitesse du flux dans les
colonnes d'eau s'étendant entre le fond de la rivière
(lit) et l'eau en surface.
Le coefficient de passage entre la vitesse de surface
et la vitesse dans la colonne d'eau est déterminé grâce
à des modèles empiriques, bien connus dans le domaine
de l'hydrologie, ces modèles pouvant être calibrés par
des mesures in-situ. Dans ces modèles, la vitesse est
considérée comme nulle ou quasi-nulle au fond de la
rivière. La hauteur d'eau calculée à l'étape E3 est
également fournie au modèle pour calculer les vitesses
sur toute la colonne d'eau située entre le fond
(vitesse nulle) et la surface (vitesse la plus élevée).
Etape E5: Calcul du débit
Le débit d'eau au travers d'une ou plusieurs section(s)
transversale(s) de la rivière est calculé à partir de:
- la vitesse d'écoulement dans les colonnes d'eau
présentes le long de la section transversale,
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- la hauteur de la surface en eau au niveau de cette
section transversale, et
- le MNT image.
Avantageusement, le débit est calculé sur 3 sections
transversales de la rivière et le débit retenu est le
débit moyen de manière à réduire les incertitudes sur
les mesures.
L'invention porte également sur le procédé de
détermination de la hauteur de surface d'eau en tant
que telle, telle que définie à l'étape E3.
