EP3465100A1 - Procede de determination du debit d'un cours d'eau - Google Patents

Procede de determination du debit d'un cours d'eau

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Publication number
EP3465100A1
EP3465100A1 EP17732506.5A EP17732506A EP3465100A1 EP 3465100 A1 EP3465100 A1 EP 3465100A1 EP 17732506 A EP17732506 A EP 17732506A EP 3465100 A1 EP3465100 A1 EP 3465100A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
water
images
image
camera
cross
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17732506.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
André STUMPF
Emmanuel AUGEREAU
Christophe Delacourt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Univerdite de Bretagne Occidentale
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Univerdite de Bretagne Occidentale
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Univerdite de Bretagne Occidentale filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3465100A1 publication Critical patent/EP3465100A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/002—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow wherein the flow is in an open channel
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C11/00—Photogrammetry or videogrammetry, e.g. stereogrammetry; Photographic surveying
    • G01C11/04—Interpretation of pictures
    • G01C11/06—Interpretation of pictures by comparison of two or more pictures of the same area
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/704—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
    • G01F1/708—Measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G01F1/7086—Measuring the time taken to traverse a fixed distance using optical detecting arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/704—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
    • G01F1/708—Measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G01F1/712—Measuring the time taken to traverse a fixed distance using auto-correlation or cross-correlation detection means

Definitions

  • 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.
  • 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 water scale, at least partially immersed to determine the height of the water surface at a point in the watercourse. The height of water is determined by capturing and processing images of this visual medium.
  • a visual medium such as a water scale
  • 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.
  • 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.
  • 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 one or more cross sections (or transects) of the watercourse. The calculated flow is based on flow velocity, stream bottom morphology, and water surface height at this cross-section.
  • 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 at least one cross section being present in a so-called observation site of the stream, said flow rate determination being carried out by capturing images of the observation site by means of at least one camera, each point of said images having image coordinates in an image repository,
  • said method comprising the following steps:
  • the conversion model of each camera is generated by the following steps:
  • Reference points are, for example, reflective targets distributed evenly over the observation site during the preliminary phase.
  • the cartographic coordinates of the reference points are provided by a measurement tool having centimeter accuracy, such as a differential GPS receiver (or DGPS) or a tacheometer.
  • a measurement tool having centimeter accuracy such as a differential GPS receiver (or DGPS) or a tacheometer.
  • the georeferenced digital terrain model is generated by stereo-photogrammetry according to the following steps:
  • the digital terrain model of the observation site is not generated from images captured by the cameras of the observation site.
  • 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.
  • the georeferenced digital terrain model is generated by stereo- photogrammetry according to the following steps:
  • 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 cameras of the observation site, said captured images further comprising reference points whose cartographic coordinates are predetermined, and
  • the flow velocity in the water columns at said cross section is determined by a particle image velocimetry technique or PIV (for Particle Image Velocimetry in the Anglo-Saxon literature) applied to tracers, such as scum and / or wavelets 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 predetermined pattern to the surface flow rates.
  • PIV for Particle Image Velocimetry in the Anglo-Saxon literature
  • tracers such as scum and / or wavelets 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 predetermined pattern to the surface flow rates.
  • This predetermined model is for example an empirical model configured with in situ measurements.
  • the height of the water surface is determined by the following steps:
  • the water zone is detected in the images by detection of the moving zones in the images.
  • 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.
  • 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.
  • 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, each point of said images having image coordinates in an image reference,
  • a so-called conversion model for converting the image coordinates of points in the images provided by the camera into cartographic coordinates in a cartographic frame and, conversely, for converting the map coordinates of points into image coordinates in the image repository of the camera, • measurement of the topography of the observation site during the low water period, preferably when the watercourse is dry, so as to generate a georeferenced numerical land model of the observation site whose points are referenced in a cartographic landmark
  • FIG. 1 is a schematic view of a cross section of a watercourse through which is measured the flow of the watercourse
  • FIG. 2 is a flowchart showing the steps of the method of the invention, and FIGS. 3a and 3b illustrate the conversion model;
  • 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.
  • the flow rate is calculated by evaluating the volume of water that flows in one second in one or more transverse sections S of a stream C as shown in FIG. 1.
  • the calculated flow is based on the flow velocity, the morphology of the watercourse bottom and the height of the water surface at this cross-section.
  • Figure 2 is a diagram summarizing the steps of the method of the invention. It comprises five steps referenced 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.
  • the method comprises the following steps:
  • step E1 determining a conversion 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 height of the water surface at each cross-section
  • step E4 determination of the flow rate of water columns at each cross-section
  • step E5 determination of the flow of water through each cross section.
  • the calculations carried out in steps E3 to E5 are carried out in the image reference frames of the cameras installed on the observation site.
  • Step El Determining a conversion model for each camera 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 the image repository of each of the images provided by the cameras are then available. According to the invention, it is then possible for each of the cameras to deduce a conversion model making it possible to convert the image coordinates of the image points in the image reference frame of the camera into cartographic coordinates in a cartographic reference frame. This model makes it possible to determine the footprint of each pixel of image.
  • FIGS. 3a to 3b The conversion model generated is illustrated by FIGS. 3a to 3b.
  • FIG. 3a is an image of the observation site displayed in the image frame of a camera and
  • FIG. 3b represents the same image projected in a cartographic frame by application of the conversion model to the image of FIG. 3a.
  • Step E2 measurement of the topography of the observation site during the low water period
  • the topography of the observation site is measured during low-water periods, preferably when the watercourse is dry.
  • This step aims to generate a digital terrain module or MN.
  • 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 cloud of points which is then interpolated to obtain a digital model of terrain.
  • the images used for stereo-photogrammetry include reference points, temporary or otherwise, whose cartographic coordinates are known. These points are for example those already used for the generation of the conversion model. These are, for example, images captured by the cameras mounted on the deck of the bridge.
  • a digital terrain model of the observation site is first generated by stereo-photogrammetry from images captured by the cameras of the bridge. Then, the generated DEM is georeferenced by relating the coordinates of the reference points in the relative coordinate system with the map coordinates of said reference points.
  • 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.
  • X photos (or images) every N meters are for example captured by an operator moving along the bridge. These X photos are preferably taken with different viewing angles (in the vertical plane) so as to cover an extended area upstream of the bridge.
  • a DTM is initially calculated, in a relative reference, by stereo-photogrammetry from the images captured by the digital camera. This DTM is then georeferenced by relating the coordinates of the reference points in the relative coordinate system with the map coordinates of said reference points.
  • Step E3 Measuring the height of the water surface This step can be performed, at least partially, in parallel with the step E4 for measuring the flow velocity.
  • 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 an orthonormal frame ( ⁇ , ⁇ , ⁇ , ⁇ ).
  • the height of water is determined as follows: - extraction of the water zone in the images captured by the cameras;
  • the water surface height at the cross-section then corresponds to the highest point of the image DTM for this section.
  • the extraction of the zone in water can be carried out in different ways.
  • the water zone corresponds to the moving zones in the filmed image sequence.
  • This moving area is determined by calculating the PIV velocity field for the images captured by the cameras as described below for step E4 for measuring the velocity of flow.
  • This moving area corresponds to the image points whose velocity vector is non-zero.
  • 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).
  • 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.
  • the water zone is detected in the images, it is superimposed on the image DEM. 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.
  • Step E4 Measuring the flow rate
  • This step is performed on the same images as those for which the water height was calculated.
  • the flow velocity of the water columns at the cross-section is calculated in two stages: firstly, the velocity of the surface water is calculated at the cross-sectional level, then, in a second step, the flow rate of the entire water column is calculated.
  • 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 particles passives called tracers that follow the dynamics of the flow.
  • 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.
  • 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 performed for each plotter of the image (a correlation window is defined around each point of the image) and allows to reconstruct the speed field.
  • This method applied to the images of the observation site makes it possible to obtain a velocity vector field for all the tracers and, by interpolation, for all the points of each of the images.
  • the vector field which is expressed in pixels per second (pixels / s)
  • the passage in a cartographic reference frame using the conversion model defined in step E1 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.
  • the speed measured by the PIV method is a speed of the surface flow.
  • step E3 The water height calculated in step E3 is also provided to the model to calculate velocities over the entire water column between the bottom (zero velocity) and the surface (highest velocity).
  • Step E5 Flow calculation
  • the flow of water through one or more cross section (s) 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 this cross-section, and
  • the flow is calculated on 3 cross sections of the river and the flow rate is the average flow so as to reduce the uncertainties on the measurements.
  • the invention also relates to the method for determining the water surface height as such as defined in step E3.

Landscapes

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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 notamment une étape de mesure (E1,E2,E3) de la topographie du site d'observation en période d'étiage de manière à générer un modèle numérique de terrain, une étape de détermination (E4) de la hauteur de la surface d'eau au niveau de la section transversale par extraction d'une zone en eau dans les images capturées par la caméra et superposition de la zone en eau du modèle numérique de terrain,une étape de détermination (E5) de la vitesse d'écoulement dans des colonnes d'eau présentes au niveau de la section transversale, et une étape de détermination (E6) du débit d'eau à travers la section transversale à partir de ladite vitesse d'écoulement, de ladite hauteur de surface d'eau et du modèle numérique de terrain.

Description

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 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.

Claims

REVENDICATIONS
1) 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 (El), 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,
• mesure (E2) 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 et 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 (E3) 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 (E4) de la vitesse d'écoulement dans des colonnes d'eau présentes au niveau de ladite au moins une section transversale, et
• détermination (E5) 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.
2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 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 .
3) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que 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.
4) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que 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, 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. 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que 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.
6) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que 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.
7) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la zone en eau est détectée dans les images par détection des zones en mouvement dans les images. 8) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une étape 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.
9) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que 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.
10) Procédé de 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, • 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.
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