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 connaît 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 1 ' 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. 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 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 de référence dans 1 ' 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. 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 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 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. 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, • 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 - 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; 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,

- 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.

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 connaître 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) . 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 MN . 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 . 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 (Ο, χ,γ,ζ).

Selon l'invention, la hauteur d'eau est déterminée de la manière suivante: - 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. 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 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 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.

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 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 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, - 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 détermination de la hauteur de surface d'eau en que telle, telle que définie à l'étape E3.