FR3051901A1 - METHOD FOR DETERMINING THE FLOW OF A COURSE OF WATER - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de détermination du débit à travers une section transversale (ou transect) d'un cours d'eau sur un site d'observation du cours d'eau, à partir d'images prises par une caméra sur site. Le procédé comprend les étapes suivantes: •Détermination (E1) d'un modèle de géoréférencement des images capturées par la caméra, • mesure (E2) de la topographie du site d'observation en période d'étiage de manière à générer un modèle numérique de terrain MNT géoréférencé du site d'observation, •détermination (E3) de la vitesse d'écoulement dans des colonnes d'eau au niveau du transect, •détermination (E4) de la hauteur de la surface d'eau au niveau du transect par extraction d'une zone en eau dans les images capturées par la caméra et superposition de ladite zone en eau et dudit MNT géoréférencé, et • détermination (E5) du débit d'eau à travers le transect à partir de ladite vitesse d'écoulement, ladite hauteur de surface d'eau et le MNT géoréférencé.The invention relates to a method for determining the flow rate through a cross section (or transect) of a watercourse on a stream observation site, from images taken by an on-site camera. The method comprises the following steps: • Determination (E1) of a georeferencing model of the images captured by the camera, • measurement (E2) of the topography of the observation site during low water periods so as to generate a numerical model Georeferenced DTM field of observation site, • Determination (E3) of the flow velocity in water columns at the transect, • Determination (E4) of the height of the water surface at the transect by extracting an area of water in the images captured by the camera and superimposing said area in water and said georeferenced DTM, and • determining (E5) the flow of water through the transect from said flow rate , said water surface height and the georeferenced DTM.
Description
PROCEDE DE DETERMINATION DU DEBIT D'UN COURS D'EAU Domaine techniqueMETHOD OF DETERMINING FLOW RATE OF A WATER COURSE Technical field
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 particuliérement à la surveillance de rivières à lit mobile.The present invention relates to a method for determining the flow rate of a watercourse by capturing and processing images. This determination or flow measurement is part of a stream monitoring. The invention applies more particularly to the monitoring of moving-bed rivers.
Etat de la techniqueState of the art
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 centimétrique, 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.Patent FR2993683 relates to a method for determining an observation parameter associated with a surface of water by imaging. This method requires the use of a visual medium, such as a centimeter scale, at least partially immersed to determine the height of the water surface at a point in the stream. The height of water is determined by capturing and processing images of this visual medium.
Le problème est que ce support visuel peut être dégradé ou déplacé lors de crues. Résvimé de 1 ' inventionThe problem is that this visual support can be degraded or displaced during floods. Resvime of the 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.An object of the invention is to provide a method for determining a flow rate of a stream that does not require any visual support or instrument immersed in the stream.
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.An object of the invention is to provide a method for regularly and easily determining the flow rate of moving bed stream, particularly in flood.
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 section transversale (transect) du cours d'eau. 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. 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 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, ledit procédé comportant les étapes suivantes: pendant une phase préliminaire dite de géoréférencement, • détermination d'un modèle de géoréférencement pour transformer les images fournies par la caméra en images dites géoréférencées dans lesquelles les points de 1'image sont référencés dans un repère cartographique, • 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, - pendant une phase dite d'observation. • détermination de la vitesse d'écoulement dans des colonnes d'eau présentes au niveau de ladite section transversale, • détermination de la hauteur de la surface d'eau au niveau de ladite 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 géoréférencé, et • détermination du débit d'eau à travers ladite section transversale à partir de ladite vitesse d'écoulement, de ladite hauteur de surface d'eau et du modèle numérique de terrain géoréférencé.According to the invention, the bit rate is determined by capturing and processing images. The flow is calculated by evaluating the volume of water that flows in one second in a cross section (transect) of the watercourse. According to the invention, the calculated flow rate is based on the flow velocity of the stream, the morphology of the bottom of the stream and the height of the water surface at this cross section. For this purpose, the invention relates to a method for determining the flow rate through at least one cross section of a watercourse, in particular with a moving bed, said cross section being present in a so-called observation site of the course of water, said flow rate being determined by capturing images of the observation site by means of at least one camera, said method comprising the following steps: during a preliminary georeferencing phase, determining a georeferencing model to transform the images provided by the camera into so-called georeferenced images in which the points of the image are referenced in a cartographic frame, • measurement of the topography of the observation site during the low water period, preferably when the course of water is dry, so as to generate a georeferenced digital model of the observation site whose points are referenced in a cart reference ographic, during a so-called observation phase. Determining the flow velocity in water columns present at said cross-section; determining the height of the water surface at said cross-section by extracting a water zone in the images; captured by the camera and superimposing said water area and said georeferenced digital terrain model, and • determining the flow of water through said cross section from said flow velocity, said water surface height, and georeferenced digital terrain model.
Selon un mode de réalisation particulier, le modèle de géoréférencement associé à une caméra est généré par les étapes suivantes: - acquisition, par mesure géodésique, des coordonnées cartographiques de points de référence temporaires présents dans le site d'observation, capture d'au moins une image de ladite zone d'observation comprenant lesdits points de référence temporaires, et - génération du modèle de géoréférencement par mise en relation des points de référence temporaires dans l'image avec les coordonnées cartographiques desdits points de référence temporaires.According to a particular embodiment, the georeferencing model associated with a camera is generated by the following steps: - acquisition, by geodesic measurement, of the cartographic coordinates of temporary reference points present in the observation site, capture of at least an image of said observation zone comprising said temporary reference points, and - generating the georeferencing model by relating the temporary reference points in the image with the map coordinates of said temporary reference points.
Les points de référence temporaires sont par exemple des cibles réfléchissantes.Temporary reference points are for example reflective targets.
Selon un mode de réalisation particulier, les coordonnées cartographiques des points de référence temporaires sont fournis par un outil de mesure ayant une précision centimétrique, tel qu'un récepteur GPS différentiel (ou DGPS) ou un tachéomètreAccording to a particular embodiment, the cartographic coordinates of the temporary reference points are provided by a measurement tool having centimeter accuracy, such as a differential GPS receiver (or DGPS) or a tacheometer
Selon un mode de réalisation particulier, le modèle numérique de terrain gèoréférencé 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, géoréférencement desdites images du site d'observation à l'aide du modèle de géoréférencement, et génération du modèle numérique de terrain gèoréférencé par mise en relation de points des images géoréférencées avec des points du modèle numérique de terrain.According to a particular embodiment, the georeferenced digital terrain model is generated by stereo-photogrammetry according to the following steps: generating, in a relative reference, a digital terrain model of the observation site by stereo-photogrammetry from images captured by at least two cameras present on the observation site, georeferencing said images of the observation site using the georeferencing model, and generating the georeferenced digital terrain model by linking georeferenced image points with points of the digital terrain model.
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. L'écartement entre les caméras et leur résolution peuvent ne pas être adaptés à la technique de stéréo-photogrammétrie. 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 de la caméra, - géoréférencement desdites images capturées par le dispositif de capture par mise en correspondance avec des images géoréférencées du site d'observation issues de la caméra, et génération du modèle numérique de terrain géoréférencé par mise en relation de points des images géoréférencées avec des points du modèle numérique de terrain.According to an alternative embodiment, the digital terrain model of the observation site is not generated from images captured by the cameras of the observation site. The distance between the cameras and their resolution may not be suitable for the stereo-photogrammetry technique. According to this variant, the digital terrain model (DTM) is generated by stereo-photogrammetry from images having a better resolution, for example from images (or photos) captured using a digital camera. by an operator. In this variant, the georeferenced digital terrain model is generated by stereo-photogrammetry according to the following steps: generation, in a relative coordinate system, of a digital terrain model of the observation site by stereo-photogrammetry from images of the observation site captured by a capture device, such as a digital camera, said images from the capture device having a higher resolution than the images from the camera, - georeferencing said captured images by the capture device by setting correspondence with georeferenced images of the observation site from the camera, and generation of the georeferenced digital terrain model by linking points of the georeferenced images with points of the digital terrain model.
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 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.According to a particular embodiment, the flow velocity in the water columns at said cross section is determined by a particle image velocimetry technique applied to tracers, such as scum and / or or ripples, present on the surface of the water to determine the surface flow velocity in the captured images and then determine the flow velocity in the water columns at said cross-section by applying a model predetermined at the surface flow rates.
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, - géoréférencement de la zone en eau extraite à l'aide du modèle de géoréférencement; et - superposition de la zone en eau géoréférencée et du modèle numérique de terrain géoréférencé de manière à ne conserver que la portion du modèle numérique de terrain géoréférencé correspondant à la zone en eau géoréférencée, la hauteur de surface d'eau au niveau de la section transversale correspondant au point le plus haut du modèle numérique de terrain géoréférencé au niveau de la section transversale.According to a particular embodiment, the height of the water surface is determined by the following steps: - extraction of the water zone on the images captured by the camera, - georeferencing of the area in water extracted with the aid of georeferencing model; and superimposing the georeferenced water zone and the georeferenced digital terrain model so as to keep only the portion of the georeferenced digital terrain model corresponding to the georeferenced water zone, the water surface height at the sectional level. cross-section corresponding to the highest point of the digital georeferenced terrain model at the cross-sectional level.
Selon un mode de réalisation particulier, la zone en eau est détectée dans les images par détection des zones en mouvement dans les images.According to a particular embodiment, the water zone is detected in the images by detection of the moving zones in the 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.According to a particular embodiment, the method advantageously comprises an additional step of detecting the zones of vegetation in the images, said zones of vegetation being deduced from the moving zones to form the zone in water. The detected water zone is then more reliable.
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, ledit procédé comportant les étapes suivantes pendant une phase préliminaire dite de géoréférencement, • détermination d'un modèle de géoréférencement pour transformer les images fournies par la caméra en images dites géoréférencées dans lesquelles les points de l'image sont référencés dans un repère cartographique, • 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, - pendant une phase dite d'observation, • extraction de la zone en eau sur des images capturées par la caméra, • géoréférencement de la zone en eau extraite à l'aide du modèle de géoréférencement; et • superposition de la zone en eau géoréféréencée et du modèle numérique de terrain géoréférencé de manière à ne conserver que la portion du modèle numérique de terrain géoréférencé correspondant à la zone en eau géoréférencée, la hauteur de surface d'eau au niveau de la section transversale correspondant au point le plus haut du modèle numérique de terrain géoréférencé au niveau de la section transversale.According to an alternative embodiment, the water zone is detected in the images by calculating the variance and the average brightness of the pixels of the images, the water zone corresponding to the pixels whose average variance and brightness are greater than thresholds. predefined. The invention also relates to a method relating solely to determining the height of the water surface at a cross section (or transect) of the watercourse. For this purpose, the invention also relates to a method for determining the height of the water surface at at least one cross section of a watercourse, said cross section being present in a site called observation of the watercourse, said height determination being carried out by capturing images of the observation site by means of at least one camera, said method comprising the following steps during a preliminary so-called georeferencing phase, • determination of a georeferencing model to transform the images provided by the camera into so-called georeferenced images in which the points of the image are referenced in a cartographic frame; • measurement of the topography of the observation site during a low-water period, preferably when the watercourse is dry, so as to generate a georeferenced digital model of the observation site whose points are referenced in a r cartographic area, - during a so-called observation phase, • extraction of the area in water on images captured by the camera, • georeferencing of the area in water extracted using the georeferencing model; and • superimposing the georeferenced water zone and the georeferenced digital terrain model in such a way as to retain only the portion of the georeferenced digital terrain model corresponding to the georeferenced water zone, the water surface height at the cross-sectional level. cross-section corresponding to the highest point of the digital georeferenced terrain model at the cross-sectional level.
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 l'opération de géoréférencement d'une image;BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES FIG. 1 is a diagrammatic view of a cross-section of a stream through which stream flow is measured; FIG. 2 is a flowchart showing the steps of the flow method; FIG. the invention, and - Figures 3a and 3b illustrate the operation of georeferencing an image;
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.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The invention will be described in the context in determining the flow rate of a stream from images captured by cameras placed on the deck of a bridge spanning said stream. The cameras used are for example cameras usually used for surveillance applications.
Selon l'invention, le débit est calculé en évaluant le volume d'eau qui s'écoule en une seconde dans une section transversale 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.According to the invention, the flow rate is calculated by evaluating the volume of water that flows in one second in a cross section S of a stream C as shown in FIG. 1. According to the invention, the flow rate calculated is from the flow velocity, the morphology of the bottom of the stream and the height of the water surface at this cross-section.
La figure 2 est un schéma récapitulant les étapes du procédé de l'invention. Il comporte les étapes 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.Figure 2 is a diagram summarizing the steps of the method of the invention. It comprises steps E1 to E5. Steps E1 and E2 are carried out during a preliminary so-called georeferencing phase and steps E3 to E5 are carried out during a phase of observation (or monitoring) of the watercourse.
Plus spécifiquement, le procédé comprend les étapes suivantes : étape El: détermination d'un modèle de géoréférencement pour chaque caméra du site; étape E2 : mesure de la topographie du site d'observation en période d'étiage; - étape E3: détermination de la vitesse d'écoulement de colonnes d'eau au niveau de la section transversale, - étape E4: détermination de la hauteur de la surface d'eau au niveau de la section transversale, et - étape E5: détermination du débit d'eau à travers la section transversale.More specifically, the method comprises the following steps: step E1: determination of a georeferencing model for each camera of the site; step E2: measurement of the topography of the observation site during the low water period; step E3: determination of the flow rate of water columns at the cross-section, step E4: determination of the height of the water surface at the cross-section, and step E5: determination water flow through the cross section.
Etape El : détermination d'un modèle de géoréférencement pour chaque caméra du siteStep El: Determining a georeferencing model for each camera on the site
Pour tout calcul physique par imagerie, il est nécessaire de géoréférencer l'image, pour la projeter dans un référentiel cartographique, et ainsi connaitre l'emprise au sol de l'image et la résolution réelle de chaque pixel de l'image dans ce référentiel cartographique.For any physical computation by imagery, it is necessary to georeference the image, to project it in a cartographic reference frame, and thus to know the footprint of the image and the real resolution of each pixel of the image in this repository Mapping.
Pour cette étape, plusieurs points de référence temporaires, par exemple des cibles réfléchissantes, sont disposés sur le site d'observation. Dans un premier temps, 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).For this step, several temporary reference points, for example reflective targets, are placed on the observation site. As a first step, the cartographic position of these temporary reference points is measured using geodetic measurement tools, such as a tachymeter or differential GPS (also called DGPS for Differential Global Positioning System).
Par ailleurs, plusieurs images du site d'observation comprenant lesdits points de référence temporaires sont capturées à l'aide des caméras disposées 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 chacune des images. On peut alors déduit alors pour chacune des caméras un modèle de géoréférencement permettant de géoréférencer les images capturées par la caméra.In addition, several images of the observation site comprising said temporary reference points are captured using the cameras arranged on the site. The cartographic coordinates of the temporary reference points (provided by the geodesic measurement tool) and the image coordinates of these temporary reference points in each of the images are then available. We can then deduce for each of the cameras a georeferencing model for georeferencing the images captured by the camera.
Cette étape est illustrée par les figures 3a à 3c. La figure 3a est une image du site d'observation affichée dans le repère image et la figure 3b représente la même image projetée dans un repère cartographique (image géoréférencée).This step is illustrated by FIGS. 3a to 3c. FIG. 3a is an image of the observation site displayed in the image frame and FIG. 3b represents the same image projected in a cartographic frame (georeferenced image).
Etape E2: mesure de la topographie du site d'observation en période d'étiageStep E2: measurement of the topography of the observation site during the low water period
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.The topography of the observation site is measured during low-water periods, preferably when the watercourse is dry.
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 semis de points qui est ensuite interpolé pour obtenir un modèle numérique de terrain ou MNT.This step is performed by stereo-photogrammetry. This technique is based on the principle of stereoscopic vision. Two images of the same object acquired from different points of view make it possible to reconstruct the three-dimensional geometry of this object. Images are correlated to search for peer points. The measurement of the offset between these homologous points makes it possible to calculate their position in three dimensions. The result obtained is then a sowing of points which is then interpolated to obtain a digital terrain model or DEM.
Dans le présent cas, on pourrait envisager de générer le MNT à partir d'images capturées par les caméras montées sur le tablier du pont. Cependant, les distances importantes entre les différentes caméras et leur faible résolution ne permet pas toujours d'effectuer une bonne corrélation entre points homologues, ce qui est indispensable pour le calcul stéréo-photogrammétrique.In this case, one could consider generating the DTM from images captured by the cameras mounted on the bridge deck. However, the large distances between the different cameras and their low resolution does not always make it possible to perform a good correlation between homologous points, which is indispensable for the stereo-photogrammetric calculation.
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. Le protocole d'acquisition de ces images prévoit par exemple qu'un opérateur se déplaçant le long du pont prennent trois photos (ou images) tous les 10 mètres (soit 3 photos à chaque position) . Ces 3 photos sont prises avec des angles de visée différents (dans le plan vertical) de façon à couvrir une zone d'environ 50m entre la verticale du pont et l'amont de la rivière.Therefore, according to an advantageous embodiment, the images used for this step are generated by a digital camera having a higher resolution than the cameras, for example of the order of at least 10 Megapixels. The acquisition protocol of these images provides for example that an operator moving along the bridge take three pictures (or images) every 10 meters (3 pictures at each position). These 3 photos are taken with different viewing angles (in the vertical plane) so as to cover an area of about 50m between the vertical of the bridge and the upstream of the river.
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.A DTM is initially calculated, in a relative reference, by stereo-photogrammetry from the images captured by the digital camera.
Le modèle numérique de terrain MNT est ensuite géoréférencé dans un repère cartographique. Pour cela, on capture des images du site d'observation avec les caméras disposées sur le pont et on les géoréférence à l'aide du modèle de géoréférencement. Les images précédemment acquises pour la topographie (capturées par l'appareil photo) sont mises en relation avec les images issues des caméras. Connaissant les coordonnées cartographiques des images des caméras (images géoréférencées), il est alors possible de projeter le MNT dans un référentiel cartographique.The DTM digital terrain model is then georeferenced in a map reference. For this, images of the observation site are captured with the cameras placed on the bridge and georeferenced using the georeferencing model. Previously acquired images for the topography (captured by the camera) are related to the images from the cameras. Knowing the cartographic coordinates of the images of the cameras (georeferenced images), it is then possible to project the DEM in a cartographic repository.
La mise en relation des images caméras et des images photos (provenant de l'appareil photo) est réalisée par un algorithme de corrélation. Avec cet algorithme, on détecte des points homologues entre les deux types d'images en calculant des coefficients de corrélation. On peut ainsi en déduire les coordonnées cartographiques des points homologues des images photos et ainsi projeter le MNT dans un repère cartographiqueThe linking of camera images and photo images (from the camera) is performed by a correlation algorithm. With this algorithm, homologous points are detected between the two types of images by calculating correlation coefficients. It is thus possible to deduce the cartographic coordinates of the homologous points of the photographic images and thus to project the DEM in a cartographic frame.
Les positions de prises de vue et les résolutions des caméras et de l'appareil photo étant différentes, les points homologues ayant un faible coefficient de corrélation (inférieur à 0,7) sont écartés pour obtenir un géoréférencement optimal du MNT.Since camera and camera positions and resolutions are different, homologous points with a low correlation coefficient (less than 0.7) are discarded for optimal geo-referencing of the DTM.
Etape E3: Mesure de la vitesse d'écoulementStep E3: Measuring the flow rate
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 on en déduit la vitesse d'écoulement des colonnes d'eau toutes entière.The flow velocity of the water columns at the cross-section is calculated in two stages: first, the velocity of the surface water is calculated at the cross-sectional level, then the velocity is deduced flow of the entire water columns.
La vitesse de l'eau en surface est mesurée par vélocimétrie d'image de particule ou PIV (pour Particle Image Velecimetry en langue anglaise.Surface water velocity is measured by particle image velocimetry or PIV (for Particle Image Velecimetry in English).
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 vitesse de l'écoulement étudié. Dans le cas présent, il est proposé d'utiliser les embruns, les écumes ou les vaguelettes présents à la surface de l'eau comme traceurs.The PIV method is an optical method for measuring the instantaneous velocity of a fluid. This method is usually used in the laboratory. The fluid whose speed is measured is seeded with passive particles called tracers which follow the flow dynamics. The fluid as well as the particles are illuminated by a laser so that the particles are visible. Since the stream is imaged at high frequency, it is possible, thanks to correlation algorithms, to follow a particle on two consecutive images. It is therefore the movement of the particles that makes it possible to calculate the velocity field of the studied flow. In this case, it is proposed to use the spray, scum or wavelets present on the surface of the water as tracers.
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 point de l'image (une fenêtre de corrélation est définie autour de chaque point de l'image) et permet de reconstruire le champ de vitesse.For each pair of images succeeding one another in time, the PIV software looks for similar image portions (or correlation windows) in an image portion called the search window (more extensive than the correlation window). The similarity criterion is defined statistically. The shift between the two correlation windows of two successive images is in fact the measure of the spatial shift that has occurred between the two images. Knowing the time interval between the two images (1/25 second), we get a speed. This process is carried out for each point of the image (a correlation window is defined around each point of the image) and makes it possible to reconstruct the velocity field.
Cette méthode appliquée aux images du site d'observation permet d'obtenir un champ de vecteurs vitesses pour l'ensemble des points de chacune des images. Avant géoréférencement, le champ de vecteurs, qui est exprimé en pixel par seconde (pixels/s), montre une vitesse plus importante en bas de l'image. Ceci est dû à l'effet d'inclinaison de la caméra. Le passage dans un repère cartographique à l'aide du modèle de géoréférencement défini précédemment, 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.This method applied to the images of the observation site makes it possible to obtain a velocity vector field for all the points of each of the images. Before georeferencing, the vector field, which is expressed in pixels per second (pixels / sec), shows a greater speed at the bottom of the image. This is due to the tilting effect of the camera. The passage in a cartographic frame using the georeferencing model defined above, makes it possible to obtain velocity vectors expressed in meters per second (m / s) and makes it possible to correct the distortions generated by the inclination of the camera.
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.The speed measured by the PIV method is a speed of the surface flow. To calculate the flow rate, it is necessary to determine the flow velocity in the water columns extending between the bottom of the river (bed) and the surface water.
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. Les modèles définissent les vitesses sur toute la colonne d'eau, entre le fond (vitesse nulle) et la surface (vitesse la plus élevée).The coefficient of passage between the surface velocity and the velocity in the water column is determined by empirical models, well known in the field of hydrology, these models can be calibrated by in-situ measurements. In these models, the speed is considered as zero or almost zero at the bottom of the river. The models define velocities over the entire water column, between bottom (zero velocity) and surface (highest velocity).
Etape E4: Mesure de la hauteur de la surface d'eauStep E4: Measuring the height of the water surface
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 cartographique (Ο,χ,γ,ζ). Cette étape est réalisée sur les mêmes images que celles pour lesquelles la vitesse d'écoulement a été mesurée.In the present method, it is considered that the height of the water surface is substantially the same along the cross section. The height of the water surface is defined as the value of the coordinate z in a cartographic frame (Ο, χ, γ, ζ). This step is performed on the same images as those for which the flow velocity has been measured.
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; - géoréférencement de la zone en eau extraite à l'aide du modèle de géoréférencement; et - superposition de cette zone en eau géoréférencée et du MNT géoréférencé de manière à ne conserver que la portion du MNT correspondant à la zone en eau.According to the invention, the height of water is determined as follows: extraction of the water zone in the images captured by the cameras; - georeferencing of the area in extracted water using the georeferencing model; and superposition of this zone in georeferenced water and the georeferenced DTM so as to retain only the portion of the DTM corresponding to the water zone.
La hauteur de surface d'eau au niveau de la section transversale correspond alors au point le plus haut du MNT géoréférencé 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 a déjà été déterminée lors du calcul de la vitesse d'écoulement par PIV. Cette zone en mouvement correspond aux points d'image dont le vecteur vitesse est non nul.The water surface height at the cross-section then corresponds to the highest point of the georeferenced DTM for this section. The extraction of the zone in water can be carried out in different ways. According to the invention, it is assumed that the water zone corresponds to the moving zones in the filmed image sequence. This moving zone has already been determined when calculating the flow velocity by PIV. This moving area corresponds to the image points whose velocity vector is non-zero.
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. 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).This assumption (water zone = moving zone) assumes that the rest of the image is fixed. This is not always the case. Indeed, the vegetation can move under the effect of the wind. According to an advantageous embodiment, the vegetation zones are excluded from the water zone. The vegetation zones are detected on the basis of radiometric criteria, and in particular their color (green).
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.The detection of the water zone can be calculated by calculating the variance of the value of the pixels and their average brightness over several consecutive images. These two parameters, combined together, form an index of presence of water. The higher these parameters are, the higher the probability of water presence. Subsequently, an automatic thresholding technique is used to generate a bit mask. This mask is processed again to remove isolated points and noise.
Une fois que la zone en eau est détectée dans les images, elle est superposée au MNT géoréféréncé. 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.Once the water zone is detected in the images, it is superimposed on the georeferenced DTM. Only the portion of the DTM corresponding to the water zone is conserved and, as indicated above, the height of the water surface of the river then corresponds, for a given cross section of the DTM, to the highest point of this section. of the DTM.
Etape E5: Calcul du débitStep E5: Flow calculation
Le débit d'eau au travers d'une section transversale 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 géoréfrérencé.The flow of water through a cross-section of the river is calculated from: the flow velocity in the water columns present along the cross-section, - the height of the water surface at the of this cross-section, and - the georeferenced DEM.
Avantageusement, le débit est calculé sur 3 sections transversales de la rivière et le débit retenu est le débit moyen. L'invention porte également sur le procédé de détermination de la hauteur de surface d'eau en tant que telle, telle que décrite ci-dessus.Advantageously, the flow is calculated on 3 cross sections of the river and the flow rate is the average flow. The invention also relates to the method for determining the water surface height as such, as described above.
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