Photogrammétrie (partie 1/3)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - interpréter la composition couleur d’une image télédétectée et identifier les principaux paysages forestiers du Cameroun ; - expliquer les principes géométriques des photographies aériennes, calculer leur échelle et réaliser des mesures de hauteur ou de distance ; - mener une activité d’intégration complète allant de l’acquisition de données aériennes à la production d’une carte thématique forestière, en respectant les normes de sécurité et les procédés professionnels en vigueur au Cameroun. **Prérequis** : notions de base en télédétection (spectre électromagnétique, résolution spatiale), lecture de cartes topographiques, connaissances élémentaires de géométrie projective (échelle, similitude), et maîtrise des outils de traitement d’image usuels (QGIS, ERDAS Imagine ou équivalent). --- ### Introduction contextualisée La gestion durable des forêts camerounaises repose sur une connaissance précise de leur étendue, de leur état de santé et de leur évolution. La photogrammétrie, associée à la télédétection optique, fournit des données rapides, répétables et à moindre coût pour cartographier les couvertures forestières, suivre les phénomènes de déforestation ou de dégradation, et planifier les interventions de reboisement. Dans les régions du Littoral, du Sud‑Ouest et de l’Est, les opérations d’inventaire forestier s’appuient régulièrement sur des photographies aériennes obtenues par des drones ou des avions légers, suivies d’un traitement couleur permettant de distinguer forêts denses, forêts secondaires, savanes et zones agricoles. Ce chapitre présente les concepts indispensables à l’interprétation de ces images et aux mesures métriques qui en découlent, conformément au référentiel de compétences du MINESEC/IGE pour la série TGF. --- ## I. Leçon 7 : Composition colorée et identification des paysages forestiers ### A. Notions de base sur la couleur en télédétection La couleur perçue dans une image numérique résulte de la combinaison de trois canaux correspondant à des bandes spectrales : rouge (R), vert (V) et bleu (B). Chaque pixel possède une valeur numérique (souvent sur 8 bits, de 0 à 255) qui représente la réflectance moyenne du sol dans cette bande. > **La vraie couleur (RGB)** restitue la scène telle que perçue par l’œil humain lorsqu’on affecte les bandes R, V, B aux canaux rouge, vert et bleu respectivement. > **La fausse couleur (ou couleur infrarouge)** affecte généralement la bande proche infrarouge (NIR) au canal rouge, le rouge au vert et le vert au bleu, rendant la végétation vigoureuse en rouge vif. ### B. Bandes spectrales utilisées - **Bande rouge (0,6‑0,7 µm)** : sensible à la chlorophylle, faible réflectance sur végétation saine. - **Bande verte (0,5‑0,6 µm)** : intermédiaire, utile pour discriminer sols nus et végétation. - **Bande bleue (0,4‑0,5 µm)** : fortement diffusée par l’atmosphère, utile pour détecter l’eau et les aerosols. - **Bande proche infrarouge (NIR, 0,7‑1,1 µm)** : forte réflectance du mésophylle, indicateur clé de la vigueur végétale. ### C. Indice de végétation simplifié – NDVI L’indice de végétation par différence normalisée (NDVI) est défini par : \[ \text{NDVI} = \frac{\rho_{NIR} - \rho_{R}}{\rho_{NIR} + \rho_{R}} \] où \(\rho_{NIR}\) et \(\rho_{R}\) sont les réflectances (ou valeurs numériques normalisées) dans le proche infrarouge et le rouge. > **Un NDVI proche de +1 indique une végétation dense et saine ; des valeurs autour de 0 correspondent à sols nus ou urbains ; des valeurs négatives signalent l’eau ou les nuages.** ### D. Interprétation visuelle des paysages forestiers | Type de couverture | Apparence en vraie couleur | Apparence en fausse couleur (NIR‑R‑V) | Valeur typique de NDVI | |--------------------|----------------------------|--------------------------------------|------------------------| | Forêt dense evergreen | Vert foncé, texture fine | Rouge vif, contraste élevé | 0,7‑0,9 | | Forêt secondaire / dégradée | Vert clair, taches brunes | Rouge orangé, moins uniforme | 0,4‑0,6 | | Savane arborée | Jaune‑vert, taches claires | Jaune‑orange, végétation clairsemée | 0,2‑0,4 | | Zone agricole (cultures annuelles) | Vert pâle, motifs réguliers | Jaune, parfois rouge selon stade | 0,1‑0,3 | | Sol nu / roche | Brun‑gris, texture uniforme | Gris‑bleu, faible contraste | <0,1 | | Eau | Noir ou bleu très foncé | Noir ou bleu très foncé | <0 (absorption forte) | ### E. Exemple chiffré : calcul du NDVI Supposons qu’un pixel d’une image Landsat 8 présente les réflectances suivantes (valeurs déjà normalisées entre 0 et 1) : \(\rho_{R}=0,12\) ; \(\rho_{NIR}=0,48\). \[ \text{NDVI}= \frac{0,48-0,12}{0,48+0,12}= \frac{0,36}{0,60}=0,60 \] Ce NDVI de 0,60 indique une végétation modérément dense, typique d’une forêt secondaire en régénération. > **Le NDVI est limité à l’intervalle \([-1, +1]\).** ### F. Procédé d’atelier : composition d’une image couleur vraie et fausse 1. **Importation** des bandes R, V, B et NIR dans le logiciel (ex. QGIS → Raster → Déposer les couches). 2. **Création d’une couche virtuelle** : dans le panneau *Propriétés* → *Symbologie* → *Type de rendu* → *Multiband couleur*. 3. **Vraie couleur** : affecter la bande R au canal rouge, V au vert, B au bleu. 4. **Fausse couleur** : affecter la bande NIR au rouge, R au vert, B au bleu. 5. **Ajustement** du contraste (étirement linéaire ou histogramme égalisé) pour améliorer la lisibilité. 6. **Export** de l’image composée au format GeoTIFF pour usage ultérieur (classification, calcul d’indices). --- ## II. Leçon 8 : Les photographies aériennes ### A. Définition et types Une photographie aérienne est une image du sol obtenue depuis une plateforme aérienne (avion, hélicoptère, drone) à l’aide d’une caméra métrique. On distingue : - **Photographie verticale** : axe optique perpendiculaire au sol (idéal pour la cartographie). - **Photographie oblique** : axe incliné (utile pour l’inspection d’ouvrages ou le relief). ### B. Géométrie de la prise de vue Les paramètres essentiels sont : - **Focale (f)** : distance entre le centre optique et le plan focal, exprimée en millimètres. - **Hauteur de vol (H)** : distance entre le centre de projection et le terrain moyen, en mètres. - **Échelle (E)** : rapport entre une distance sur la photo et la même distance sur le terrain. > **Formule d’échelle pour une photographie verticale** : \[ E = \frac{f}{H} \] où \(f\) et \(H\) doivent être dans la même unité (ex. mm et mm, ou m et m). ### C. Exemple chiffré : calcul d’échelle Un avion effectue une prise de vue à une hauteur moyenne de 1500 m au-dessus du sol, avec une caméra de focale 150 mm. Convertissons la focale en mètres : \(f = 150\text{ mm}=0,150\text{ m}\). \[ E = \frac{0,150}{1500}=0,0001 \] L’échelle s’exprime généralement sous la forme 1 : X, où \(X = 1/E\). \[ X = \frac{1}{0,0001}=10\,000 \] **Résultat** : échelle 1 : 10 000 (1 cm sur la photo représente 100 m au sol). > **Une échelle 1 : 10 000 est courante pour l’inventaire forestier au Cameroun, permettant de distinguer des couronnes d’arbres individuelles.** ### D. Orthophotoplan vs photo brute - **Photo brute** : contient les distorsions dues au relief et à l’inclinaison de la caméra. - **Orthophotoplan** : photo corrigée géométriquement (orthorectifiée) afin d’avoir une échelle uniforme partout ; obtenue par déformation à l’aide d’un MNT (Modèle Numérique de Terrain). ### E. Normes de sécurité et de réglementation au Cameroun - Toute mission de vol doit obtenir une autorisation de la **Direction de l’Aviation Civile (DAC)** et, lorsqu’elle survole des zones protégées, l’accord du **MINEEP** (Ministère de l’Environnement, de la Protection de la Nature et du Développement Durable). - Respecter les **espaces aériens restreints** (zones militaires, aérodromes) publiés dans le *AIP Cameroon*. - Maintenir une **distance minimale de 150 m** au-dessus des rassemblements de personnes ou des bâtiments sensibles, sauf dérogation spécifique. - Utiliser des **aéronefs enregistrés** et des pilotes titulaires d’une licence valide (PPL ou CPL selon la masse de l’aéronef). > **Le non‑respect de ces règles peut entraîner des sanctions administratives, la confiscation de l’aéronef et la suspension du vol.** ### F. Procédé d’atelier : mesure de hauteur d’arbre par stéréoscopie 1. **Acquisition** d’un couple stéréo de photographies verticales avec un recouvrement longitudinal d’au moins 60 %. 2. **Visualisation** sous un stéréoscope ou dans un logiciel de photogrammétrie (ex. Agisoft Metashape) en mode *stéréo*. 3. **Sélection** du point de base (sommet de l’arbre) et du point de référence (sol au pied de l’arbre) sur les deux images. 4. **Calcul de la parallaxe** \(p\) (différence de coordonnées x entre les deux images). 5. **Application de la formule de hauteur** : \[ h = \frac{H \cdot p}{f} \] où \(H\) est la hauteur de vol, \(f\) la focale, et \(p\) la parallaxe exprimée en mêmes unités que f (mm). 6. **Vérification** sur le terrain avec un dendromètre ou un télémètre laser pour contrôler l’erreur (généralement < 5 % pour des vols bien calibrés). --- ## III. Activités d’intégration ### A. Mise en situation Un projet de cartographie forestière doit couvrir une zone de 5 km² située dans la réserve du **Mont Cameroon** (région du **Sud‑Ouest**). L’objectif est de produire une carte d’occupation du sol distinguant : forêt dense, forêt secondaire, savane, zones agricoles et surfaces urbanisées. ### B. Étapes du workflow | Étape | Action | Outils / Livrables | |-------|--------|--------------------| | 1. Préparation | Obtention des autorisations de vol (DAC, MINEEP) ; définition du plan de vol (altitude 1200 m, recouvrement 60 % longitudinal, 30 % latéral) | Autorisations, fiche de mission | | 2. Acquisition | Vol avec drone fixe‑wing équipé d’une caméra RGB+NIR (focale 24 mm) ; prise de 1200 clichés | Bruts (RAW) | | 3. Pré‑traitement | Conversion en TIFF, correction radiométrique (vignetting, balance des blancs) | Images calibrées | | 4. Assemblage | Orthomosaïcisme via photogrammétrie (structure‑from‑motion) → orthophotoplan 5 cm/pixel | Orthophotoplan RGB+NIR | | 5. Composition couleur | Création de vraie couleur (RGB) et fausse couleur (NIR‑R‑V) | Deux rasters composés | | 6. Calcul d’indice | NDVI pixel à pixel à partir des bandes NIR et R | Raster NDVI | | 7. Classification | Seuil de NDVI + analyse visuelle : <0,2 sol nu ; 0,2‑0,4 savane/agri ; 0,4‑0,6 forêt secondaire ; >0,6 forêt dense | Raster de classes | | 8. Validation terrain | 30 points de contrôle GPS (répartis stratigraphiquement) ; comparaison avec classes | Rapport de précision (ex. Kappa = 0,82) | | 9. Mise en forme | Vectorisation des classes, ajout de légende, échelle, nord, titre | Carte finale au format PDF/A et shapefile | | 10. Présentation | Réunion de restitution avec les acteurs locaux (ONAFOR, communautés) ; remise du rapport technique | Compte‑rendu de réunion | ### C. Livrables attendus - Carte thématique d’occupation du sol (échelle 1 : 10 000). - Rapport méthodologique (objectifs, données, procédés, résultats, limites). - Jeu de données géoréférencées (orthophotoplan, NDVI, shapefile de classes). - Fiche de métadonnées conformes au standard ISO 19115 (titre, responsable, date, système de projection UTM 32N, datum WGS84). ### D. Évaluation des compétences - **Analyse** : capacité à interpréter la composition couleur et les indices de végétation. - **Application** : mise en œuvre du workflow de photogrammétrie de l’acquisition à la cartographie. - **Communication** : rédaction d’un rapport clair, utilisation de la légende cartographique, présentation orale. - **Responsabilité** : respect des procédures de sécurité aérienne et des réglementations environnementales. --- ## Synthèse du chapitre - La couleur en télédétection résulte de la combinaison des bandes R, V, B et NIR ; la vraie couleur restitue la scène telle que vue par l’œil, la fausse couleur met en valeur la végétation. - L’indice NDVI \(\displaystyle \frac{\rho_{NIR}-\rho_{R}}{\rho_{NIR}+\rho_{R}}\) permet de quantifier la vigueur végétale ; valeurs > 0,6 indiquent généralement une forêt dense au Cameroun. - Une photographie aérienne verticale d’échelle \(E = f/H\) ; une focale de 150 mm à 1500 m d’altitude donne une échelle 1 : 10 000. - L’orthophotoplan est une photo corrigée géométriquement, indispensable pour des mesures métriques fiables. - Les vols au Cameroun nécessitent une autorisation de la DAC et, le cas échéant, du MINEEP ; respecter les espaces aériens restreints et les hauteurs minimales au sol. - La stéréoscopie permet de déterminer la hauteur d’un objet (arbre, bâtiment) via la formule \(h = \frac{H \cdot p}{f}\). - Un projet d’intégration typique comprend : acquisition, traitement, composition couleur, calcul d’indice, classification, validation terrain et production de livrables cartographiques conformes aux normes nationales. - Les compétences attendues sont l’interprétation d’images, la mise en œuvre de procédés photogrammétriques, le respect de la réglementation et la communication des résultats. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | **Bande spectrale** | Intervalle de longueurs d’onde électromagnétique capté par un capteur (ex. rouge, proche infrarouge). | | **Vraie couleur** | Image où les bandes R, V, B sont affectées respectivement aux canaux rouge, vert, bleu. | | **Fausse couleur** | Image où une bande non visible (souvent NIR) est affectée au canal rouge pour mettre en évidence la végétation. | | **NDVI** | Indice de végétation par différence normalisée, \(\frac{\rho_{NIR}-\rho_{R}}{\rho_{NIR}+\rho_{R}}\). | | **Échelle de photographie** | Rapport entre une distance sur la photo et la même distance sur le terrain, \(E = f/H\). | | **Orthophotoplan** | Photographie aérienne orthorectifiée, présentant une échelle uniforme partout. | | **Stéréoscopie** | Technique de vision en relief utilisant deux images légèrement décalées pour mesurer des hauteurs ou des profondeurs. | | **Parallaxe** | Déplacement apparent d’un point entre deux images stéréo, utilisé dans le calcul de hauteur. | | **MINEEP** | Ministère de l’Environnement, de la Protection de la Nature et du Développement Durable (Cameroun). | | **DAC** | Direction de l’Aviation Civile, autorité responsable des autorisations de vol au Cameroun. | | **UAV** | Unmanned Aerial Vehicle (drone), plateforme fréquemment utilisée pour l’acquisition de photographies aériennes à basse altitude. | | **MNT** | Modèle Numérique de Terrain, représentation numérique de l’altitude du sol utilisée pour l’orthorectification. | | **Kappa** | Coefficient de statistique mesurant l’accord entre une classification et des données de référence (valeur proche de 1 = bon accord). | | **Shapefile** | Format de stockage de données géovectorielles largement utilisé dans les SIG. | | **GeoTIFF** | Format d’image raster contenant des informations de géoréférencement intégrées. | --- ## Exercices d’applications corrigés ### Exercice 1 – Calcul d’échelle et de distance au sol **Énoncé** : Un drone effectue une prise de vue à une hauteur de 800 m au-dessus du sol avec une caméra de focale 12 mm. 1. Déterminer l’échelle de la photographie. 2. Sur l’image, la distance mesurée entre le tronc de deux arbres est de 3,5 cm. Quelle est la distance réelle au sol entre ces deux arbres ? **Corrigé** : 1. Conversion de la focale en mètres : \(f = 12\text{ mm}=0,012\text{ m}\). \[ E = \frac{f}{H}= \frac{0,012}{800}=1,5\times10^{-5} \] L’échelle s’écrit 1 : \(1/E\) = 1 : \(1/(1,5\times10^{-5})\) = 1 : 66 666,7 ≈ **1 : 66 667**. 2. Distance sur la photo : \(d_{photo}=3,5\text{ cm}=0,035\text{ m}\). Distance réelle : \(d_{sol}= \dfrac{d_{photo}}{E}= \dfrac{0,035}{1,5\times10^{-5}}= 2\,333,33\text{ m}\). **Réponse** : la distance réelle entre les deux arbres est d’environ **2,33 km**. > **Vérifier l’ordre de grandeur** : à une échelle 1 : 66 667, 1 cm sur la photo représente 666,67 m au sol ; 3,5 cm donnent donc ~2,33 km, cohérent. ### Exercice 2 – Interprétation NDVI et décision de gestion **Énoncé** : Dans une parcelle de 2 ha située dans la région du Sud‑Ouest, le NDVI moyen calculé à partir d’une image Sentinel‑2 est de 0,32. - Selon les seuils de végétation généralement admis au Cameroun (voir tableau du cours), quelle est la couverture dominante probable ? - Quelle action de gestion serait recommandée pour améliorer la productivité de cette parcelle ? **Corrigé** : - Un NDVI de 0,32 se situe dans l’intervalle 0,2‑0,4, correspondant selon le tableau à une **savane arborée ou une zone agricole en cours de croissance** (végétation clairsemée). - Pour augmenter la productivité forestière, il convient d’envisager un **reboisement avec des espèces adaptées au climat (ex. *Terminalia superba*, *Entandrophragma cylindricum*)** après une préparation du sol (débroussaillage, lutte contre les espèces envahissantes) et une protection contre le feu et le pâturage excessif. Un suivi annuel du NDVI permettra d’évaluer l’efficacité de l’intervention. > **Le NDVI est un indicateur relatif** ; il doit être interprété en complément d’observations de terrain et de connaissances écologiques locales. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de bonne pratique / sécurité | |----|------------------|-------------|------------------------------------| | 1 | Oublier de convertir la focale et la hauteur dans la même unité avant d’appliquer \(E = f/H\). | Échelle erronée, leading to gross mistakes in distance/height calculations. | Toujours convertir toutes les longueurs en mètres (ou en mm) avant le calcul. | | 2 | Utiliser une photographie brute (non orthorectifiée) pour mesurer des distances horizontales en terrain accidenté. | Distances surestimées ou sous‑estimées à cause du relief. | Produire un orthophotoplan à l’aide d’un MNT avant toute métrique planaire. | | 3 | Voler sous la hauteur minimale autorisée (ex. < 150 m au-dessus d’habitations) sans dérogation. | Risque d’accident, sanctions de la DAC, mise en danger de tiers. | Respecter les hauteurs minimales définies dans le règlement de l’aviation civile camerounaise ; demander une dérogation écrite si nécessaire. | | 4 | Négliger le recouvrement latéral et longitudinal lors de la planification du vol, entraînant des trous dans l’orthomosaïque. | Gaps dans la couverture, impossibilité de produire un orthophotoplan complet. | Prévoir au moins 60 % de recouvrement longitudinal et 30 % latéral (ou davantage selon la topographie). | | 5 | Interpréter un NDVI élevé (> 0,8) comme preuve de forêt saine sans vérifier la présence de nuages ou d’eau. | Faux positif : nuages denses ou plans d’eau peuvent donner des valeurs élevées dans certaines configurations. | Toujours contrôler la bande bleue et le masque de nuages avant de se fier au NDVI ; utiliser des indices complémentaires (ex. EBI, NBR) si nécessaire. | | 6 | Omettre de porter un gilet de haute visibilité et un casque lors du travail au sol près d’une zone de décollage/atterrissage de drone. | Risque de blessure par hélice ou par chute d’objet. | Porter les équipements de protection individuelle (EPI) obligatoires : casque, gilet réfléchissant, lunettes de protection, et respecter le périmètre de sécurité défini par le télépilote. | --- *Fin du cours.*