Qu'est-ce que l'imagerie nadir ?

L’imagerie nadir est une photographie aérienne qu’une caméra prend en pointant droit vers le bas, vers le sol. Le nadir est le point du sol situé verticalement sous le centre de la caméra au moment de la prise de vue.

Ce que signifie le nadir

Une vue nadir regarde droit vers le bas. La télédétection emploie le même mot pour les satellites. Ressources naturelles Canada appelle « trace verticale (nadir) » la trace au sol située directement sous un satellite. L’ESA appelle « instrument à visée nadir » un instrument qui regarde verticalement vers le bas.

Les recherches emploient de nombreux noms pour la même chose : image nadir, photo nadir, vue nadir, perspective nadir et caméra nadir. Tous désignent une image prise par une caméra qui pointe droit vers le bas.

Nadir, point principal et isocentre

Trois points décrivent la position d’une photographie au-dessus du sol. Le point principal est l’endroit où la perpendiculaire passant par le centre de l’objectif coupe l’image. L’isocentre se trouve à mi-chemin entre le point principal et le nadir.

Sur une photographie verticale parfaite, les trois points coïncident. Il n’existe pas de photographie verticale parfaite, car toute photographie présente une certaine inclinaison. Une photographie inclinée de moins de 3 degrés est considérée comme verticale pour la plupart des travaux d’interprétation photographique.

Angle nadir et angle hors nadir

L’angle hors nadir est l’angle entre la direction du nadir et la direction de visée du capteur. Un angle de 0 degré signifie que le capteur regarde droit vers le bas. L’angle diffère pour chaque pixel d’une image.

Les opérateurs de satellites orientent souvent leurs capteurs hors du nadir. L’ESA donne 30 degrés comme maximum typique pour l’optique. Le satellite SPOT orientait ses capteurs jusqu’à 27 degrés du nadir. Cela augmentait la fréquence de revisite et permettait une couverture stéréoscopique. La fauchée mesurait 60 km de large au nadir et 60 à 80 km lorsque les capteurs pointaient ailleurs.

Sur un drone, le gimbal règle l’angle. Dans le contrôle de support (mount) d’ArduPilot, une cible de tangage négative oriente la caméra vers le bas, et la commande Tilt 90 de QGroundControl oriente le support directement vers le bas. L’entrée sur le gimbal explique les axes et les modes. Les balayages de surface de TarmacView fixent le gimbal à -90 degrés, qui est la position au nadir.

Nadir et imagerie oblique

Une photographie oblique a un axe de caméra incliné. Une photographie inclinée de plus de 3 degrés est considérée comme oblique. Une photographie oblique haute montre l’horizon apparent. Une photographie oblique basse ne le montre pas.

Une image nadir montre le sommet des objets qui se trouvent directement sous l’objectif. Les autres objets penchent loin du centre du cadre, si bien que leurs côtés deviennent visibles aussi. Les images obliques montrent mieux les côtés des objets. Une étude de 2021 sur des images de drone, publiée dans la revue Sensors, a constaté que les images obliques apportent des informations sur les façades des bâtiments difficiles à obtenir à partir d’images nadir. Dans cette étude, les images nadir étaient prises à 90 degrés par rapport au sol et les images obliques à 30 degrés de la verticale. Les ombres des images obliques peuvent masquer les pixels que le logiciel doit apparier.

Déplacement du relief et penchement des bâtiments

Les objets qui s’élèvent au-dessus du sol apparaissent décalés par rapport à leur position réelle sur une photographie verticale. C’est le déplacement du relief. Ressources naturelles Canada le qualifie de principale distorsion géométrique des photographies aériennes verticales.

Le déplacement suit quatre règles.

• Il est nul au nadir.
• Il augmente avec la distance au nadir.
• Il augmente avec la hauteur de l’objet.
• Il diminue lorsque l’altitude de vol augmente.

La relation est d = r h / H. Ici d est le déplacement et r la distance entre le nadir et le point déplacé. La lettre h est la hauteur de l’objet. La lettre H est l’altitude de vol au-dessus de la base de l’objet. La même relation donne la hauteur d’un objet à partir de son déplacement : h = d H / r. Un objet haut près du bord du cadre penche donc loin du centre. L’ESA appelle cet effet le penchement des bâtiments et indique qu’un angle hors nadir plus faible le réduit.

Distance d’échantillonnage au sol

La distance d’échantillonnage au sol (GSD) est la dimension linéaire de l’empreinte au sol d’un pixel. La norme ASPRS l’emploie pour le GSD de collecte d’une image brute proche de la verticale. Elle le calcule à partir de la distance focale étalonnée et de la hauteur de la caméra au-dessus du terrain horizontal moyen.

Le GSD n’est pas le même pour chaque pixel. L’ASPRS indique qu’il varie avec la hauteur du terrain et d’autres facteurs. Le glossaire ISIS de l’USGS ajoute que l’estimation simple de la résolution fonctionne bien près du nadir et perd rapidement en précision à mesure que l’image s’éloigne du nadir. Un logiciel de planification de vol comme QGroundControl calcule la résolution au sol pour l’altitude du relevé et suppose un terrain plat à l’altitude de décollage. Considérez cette valeur comme un GSD nominal.

Vols en grille au nadir

Une grille au nadir est un plan de vol en grille qu’un drone exécute, la caméra pointant droit vers le bas. QGroundControl construit une telle grille sur une zone polygonale. Elle permet de régler le recouvrement séparément le long des lignes de la grille et en travers.

Les balayages de surface de TarmacView fonctionnent ainsi. Ils prennent des images fixes le long de passages parallèles, avec le gimbal à -90 degrés, et règlent le recouvrement longitudinal et latéral pour chaque balayage.

Les valeurs de recouvrement dépendent du projet. Un flux de travail de cartographie côtière de l’USGS, pour des images au nadir ou proches du nadir, en donne un exemple. Son projet utilisait environ 75 à 80 % de recouvrement longitudinal et 60 à 70 % de recouvrement latéral à partir de 300 m. L’USGS prévient aussi qu’un recouvrement insuffisant peut produire de mauvaises reconstructions et un motif de vides en voie ferrée. Ces valeurs viennent d’un seul projet. Ce ne sont pas des règles.

Ce qu’un bloc uniquement au nadir peut manquer

Un bloc d’images uniquement au nadir a des directions de visée presque parallèles. James et Robson ont constaté en 2014 que cela peut produire une large erreur verticale, dite effet de dôme, dans le modèle de terrain. La cause est une mauvaise estimation de la distorsion radiale de l’objectif lorsque le logiciel étalonne la caméra pendant le traitement. Ils ont constaté que des images obliques ajoutées au réseau réduisent l’erreur.

Roncella et Forlani ont testé 144 configurations de bloc dans une simulation en 2021. Leurs résultats montrent que l’imagerie oblique est une condition essentielle sur terrain plat. L’écart de précision entre les configurations a approché un ordre de grandeur. Leur introduction cite une recommandation d’ajouter des images obliques à 20 à 45 degrés du nadir, représentant au moins 10 % du bloc, pour réduire l’effet de dôme. Une piste ou une aire de trafic se rapproche du cas de terrain plat que cette conclusion désigne.

Précision

Une image nadir ne garantit pas une carte exacte. Les normes ASPRS de précision de position jugent un produit d’après son erreur quadratique moyenne (RMSE) par rapport à des points de contrôle. L’édition 1 (2014) ne lie pas la précision du produit au GSD de l’image source, à la taille du pixel ou à l’échelle de la carte. L’édition 2 (2023) supprime le niveau de confiance de 95 % et porte le nombre minimal de points de contrôle de 20 à 30.

Chaussée aéroportuaire

ASTM D5340 est une méthode d’inspection visuelle pour l’indice de l’état de la chaussée (PCI). La circulaire FAA AC 150/5380-7B la décrit. Les aéroports soumis à des obligations fédérales doivent inspecter en détail les chaussées aéroportuaires au moins une fois par an. Un relevé PCI peut porter cet intervalle à trois ans.

La circulaire ne mentionne ni les drones ni l’imagerie aérienne. Elle indique aussi qu’une inspection visuelle seule ne peut pas révéler l’état structurel d’une chaussée. Une image nadir montre la surface vue d’en haut et rien de ce qui se trouve dessous. Cette page n’affirme pas qu’un relevé par image nadir remplace la méthode ASTM D5340 ni qu’il y satisfait.