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Photographies aériennes prises par drone et Modèle Numérique de Terrain : apports pour l'observatoire sur l'érosion de Draix

Aerial photographs by drone and DEM: application to Draix observatory on badland erosion
Damien Raclot, Christian Puech, Nicolle Mathys, Bruno Roux, Andres Jacome, Jean Asseline et Jean-Stéphane Bailly
p. 7-20

Résumés

Pour étudier les phénomènes d'érosion en montagne, plusieurs équipes se sont regroupées pour travailler conjointement sur les bassins versants expérimentaux de Draix, labellisés "Observatoire de Recherche en Environnement (ORE)" en 2002. L'objectif prioritaire est d'améliorer la connaissance des processus mis en jeu, notamment en termes de dynamique temporelle et spatiale. Ainsi, une réflexion sur le développement de méthodes de caractérisation des manifestations et des facteurs contrôlant l'érosion est menée. Dans cet article, nous testons l'apport des photographies aériennes prises à basse altitude à l'aide d'un drone, et notamment la possibilité d'en dériver des produits cartographiques et des Modèles Numériques de Terrain (MNT) très détaillés pour la caractérisation morphologique des badlands. Les points d'intérêt concernent : le vecteur lui-même, un drone para-moteur type "Pixy", le type d'appareil photo et les films utilisés, la génération des produits cartographiques et du relief numérique, et la validation pour estimer leur précision. Avec une précision horizontale de l'ordre de 30 cm et malgré une précision en altitude encore à améliorer, ces produits dérivés des photographies ouvrent des perspectives intéressantes pour la compréhension et le suivi de l'érosion sur ces zones de badlands. Les principales pistes d'amélioration de la chaîne de traitement des images sont également présentées.

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Texte intégral

Introduction

1Le centre de "Recherche pour l'Ingénierie de l'Agriculture et de l'Environnement" (Cemagref) de Grenoble mène, depuis une vingtaine d'années, une action importante de recherche sur l'analyse et la compréhension des phénomènes érosifs en montagne. Cette action s'appuie sur un Observatoire de Recherche en Environnement1 (ORE Draix, Alpes de Haute-Provence, France) qui comprend quatre bassins versants d'expérimentation et de recherche allant de 0,1 hectare, pour le plus petit, à une centaine d'hectares pour le plus grand. Dans le cadre de cet observatoire, un axe de recherche prioritaire concerne le développement de méthodes de caractérisation rapide et facilement reproductible des manifestations de l'érosion, griffures, ravines, ainsi que des facteurs contrôlant l'érosion : climat, morphologie, végétation, sol, état de surface (Wischmeier et Smith, 1978 ; King et Le Bissonnais, 1992). Outre le suivi et la compréhension de la dynamique spatio-temporelle des phénomènes d'érosion, de telles méthodes de caractérisation sont fortement recherchées pour valider et alimenter en données les très gourmands modèles numériques spatialisés de l'érosion tels que KINEROS (Woolhiser et al., 1990), EUROSEM (Morgan et al., 1994), CASC2D-SED (Johnson et al., 2000), GeoWEPP (Renschler, 2003). Cependant, cette observation est rendue très difficile par la forte variabilité spatiale et temporelle des processus moteurs de l'érosion. Ainsi les mesures traditionnelles in situ deviennent laborieuses et très consommatrices en temps-homme, comme en témoignent les campagnes de cartographie des états de surfaces (Malet et al., 2003) ou les campagnes de suivi de la géométrie d'une ravine (Collinet et Zante, ce numéro). De plus, certains éléments à caractériser suivent des dynamiques d'évolution intra-annuelle marquées, parfois tributaires des événements climatiques (évolution des ravines par exemple), ce qui exige une très grande flexibilité dans l'acquisition de données : rapidité, répétitivité, faible coût, etc. La difficulté est alors de trouver un moyen d'observation en adéquation avec la dynamique spatiale et temporelle des phénomènes mis en jeu, le besoin de caractérisation s'exprimant à la fois en termes de thématique (signification de l'élément observé), de géométrie (en X, Y et Z) et de temporalité (fréquence de mise à jour). Une solution souple et rapide pour collecter ces données de façon spatialisée est possible par photographies aériennes prises à basse altitude grâce à des appareils photos embarqués sur des modèles réduits télécommandés ou drones. L'utilisation de drones n'est pas nouvelle mais le compromis d'utilisation entre performance et robustesse n'a pas toujours été optimisé pour des applications civiles, notamment dans le domaine de la géomorphologie et sur des terrains accidentés.

2L'objectif général est d'analyser l'intérêt d'un tel système d'observation pour le besoin des recherches conduites pour l'ORE Draix. Dans cet article, nous nous sommes concentrés sur les possibilités de reconstitution des formes du relief à partir de clichés aériens pris depuis ce drone. Les questions abordées concernent la faisabilité, les contraintes et la précision de l'altimétrie obtenue sur des zones accidentées et érodées, à partir d'images à très haute résolution spatiale, acquises par un drone léger, équipé d'appareils photographiques "grand public" et à partir de techniques photogrammétriques existantes. La précision de la localisation en (X, Y) est également abordée car les possibilités de caractérisation et de suivi multi-temporel d'informations thématiques, c'est-à-dire de facteurs intéressant l'érosion pouvant être extraits des images, en dépendent. Ces perspectives d'utilisation sont discutées à la fin de l'article.

L'ORE Draix, observatoire de recherche sur les processus hydrologiques et érosifs en montagne

Présentation

3L'objectif principal de ce laboratoire de terrain est d'améliorer la prédiction de la réponse de petits bassins versants de montagne méditerranéens aux contraintes climatiques (précipitations et températures), notamment en matière de débits liquides et de transports solides. Ceci nécessite d'identifier les facteurs déterminants dans les réponses, en particulier aux phénomènes extrêmes, mais aussi de mesurer les rôles respectifs de ces facteurs et des processus associés.

4Les bassins expérimentaux sont nés en 1983 de la rencontre des objectifs en matière de recherche du Cemagref et des préoccupations des services opérationnels en matière de protection contre les risques torrentiels (service de Restauration des Terrains en Montagne). Localisés à une quinzaine de kilomètres au nord-est de Digne (fig. 1), sur les territoires communaux de Draix et du Brusquet, et s'étageant entre 800 m et 1260 m d'altitude environ, ils sont situés sur les marnes noires du Jurassique, un faciès extrêmement sensible à l'érosion. Le dispositif est composé de quatre bassins. Le bassin du Brusquet (1,08 km2) a été reboisé à la fin du siècle dernier dans le cadre des travaux de lutte contre l'érosion. Il est désormais recouvert à 87 % par une forêt de pins noirs. La Roubine (1300 m2) est une ravine à forte pente qui peut être considérée comme une unité élémentaire pour l'étude des phénomènes d'érosion. La pente de son drain principal est supérieure à 35 %. Le bassin du Laval (0,86 km2) est composé de plusieurs sous-bassins (superficie comprise entre 0,01 et 0,22 km2) affluents d'un chenal principal de plus d'un kilomètre de long dont la pente est comprise entre 8 et 4 %. Le Moulin (0,08 km2) est un bassin de taille intermédiaire dont le chenal principal, d'environ 300 m de long, a une pente moyenne de 4 %. Les équipements mis en place à partir de 1984 permettaient la mesure de la pluie en différents points de la zone d'étude (5 pluviographes), et celle des débits et des transports solides aux exutoires par des pièges à sédiments notamment (Richard et Mathys, 1999).

Fig. 1 – Localisation des bassins versants de Draix et de la zone-test.
Fig. 1 – Location of the Draix catchments and of the test area.

Fig. 1 – Localisation des bassins versants de Draix et de la zone-test.Fig. 1 – Location of the Draix catchments and of the test area.

1 : bassin expérimentaux et réseau de drainage ; 2 : mesures de débit ; 3 : pluviographes.
1 : experimental catchment and drainage network ; 2 : limnigraph and solid transport measurements ; 3 : raingauges.

5Les premiers travaux conduits sur ces sites ont permis de mettre en évidence à la fois des taux d'érosion très élevés au pas de temps annuel (164 t/ha de terrain dénudé et par an pour le bassin de Laval) et des réponses violentes à l'échelle de l'épisode pluvieux. Cependant, pour des pluies d'importance semblable, les volumes d'érosion à l'exutoire d'un bassin peuvent varier dans des proportions considérables, dans un rapport pouvant excéder un ordre de grandeur. La compréhension des mécanismes engendrant ces réponses fortement non linéaires nécessitait une approche pluridisciplinaire qui a été conduite à partir de 1999 au travers d'un groupement d'intérêt scientifique (GIS-Draix) composé de seize équipes, notamment de géomorphologues, d'hydrogéologues, de géologues et de biogéographes. Ce renforcement de l'effort de recherche a conduit à la reconnaissance du site comme Observatoire de Recherche en Environnement, en 2002. Dans ce cadre, de nouvelles mesures et observations ont été mises en place : station climatologique, mesures des températures du sol dans des conditions variées de profondeur et d'exposition, mesures des propriétés hydriques des sols, suivi détaillé des déplacements des matériaux sur les versants, inventaire et suivi des mouvements de masse, etc.

Mécanismes d'érosion et résultats des observations

6Les bassins versants de Draix sont inscrits dans des marnes noires du Bajocien, Bathonien et Callovo-Oxfordien. Ces formations géologiques sont très sensibles à l'érosion, très instables et largement présentes dans les Alpes du Sud où elles concentrent les phénomènes d'érosion les plus actifs (Antoine et al., 1995). Il en résulte une morphologie particulière de type badlands avec des ravines en V prononcé. Le climat est méditerranéen, les étés sont chauds et secs avec quelques orages isolés. Mais c'est aussi un climat montagnard avec de nombreux (100 à 140 par an) cycles gel-dégel en hiver. Les alternances hydratation-dessiccation et gel-dégel constituent les principaux mécanismes de désagrégation des roches dans cet environnement. Pendant l'hiver, une couche de matériaux désagrégés de plusieurs centimètres d'épaisseur se développe, le déplacement des débris lisse les versants et fait disparaître les rigoles. Les plaquettes de marne se déplacent par gélireptation et par gravité et, en l'absence d'écoulement, tombent au pied des versants et constituent des stocks de matériaux facilement mobilisables. La saturation des couches désagrégées, par la fonte de la neige notamment, peut en provoquer la solifluxion. Sur les pentes fortes, ces phénomènes engendrent des petits glissements et coulées qui alimentent directement le réseau hydrographique en sédiments. En conséquence, les écoulements provoqués par les premiers épisodes pluvieux du printemps sont souvent particulièrement chargés en sédiments : les dépôts de matériaux grossiers dans le piège de la Roubine dépassent fréquemment 1 m3 soit 15 t/ha de surface dénudée du bassin. En été et au début de l'automne, lors d'orages violents au cours desquels les intensités dépassent 100 mm/h pendant quelques minutes, le ruissellement concentré prélève des matériaux sur les versants en creusant des réseaux de rigoles. Dans le réseau hydrographique, les écoulements liquides et solides se propagent vers l'aval. Selon les interactions entre les deux types d'écoulements, on distingue deux cas de figure. Si les apports des versants sont peu chargés, les "crues" sont très érosives et s'alimentent en matériaux dans les dépôts présents dans les fonds de ravines. À l'inverse, les écoulements très chargés (plusieurs centaines de grammes par litre de matières en suspension pour le Laval) provoquent des dépôts intermédiaires dans les lits lorsque la capacité de transport de l'écoulement est dépassée. On peut observer des laves torrentielles sur les versants et dans les chenaux des tributaires du Laval, mais elles sont rares dans le chenal principal. Lorsqu'elles s'y produisent, elles s'arrêtent assez rapidement, c'est-à-dire dans le cours supérieur, car la pente du chenal est très inférieure à la pente des versants. Elles peuvent aussi être diluées et se transformer en écoulements hyperconcentrés (Mathys et al., 2003).

7Sur les crêtes et flancs des ravines en zone dénudée, les mesures micrométriques ont permis d'évaluer une ablation moyenne de 9 mm/an avec des variations de 1 à 15 mm/an en fonction de la pente, du faciès de la marne à l'affleurement et de l'épaisseur du régolite. Ces vitesses d'érosion sont cohérentes avec les mesures réalisées depuis 1984 aux exutoires des bassins instrumentés. L'érosion annuelle dépasse 100 t/ha avec une très forte variabilité inter-annuelle (minimum 44 et maximum 211 pour le Laval par exemple). Une grande part de l'érosion annuelle est produite par quelques épisodes majeurs seulement : en 1986, la crue avec grêle de juillet a produit 35 % de l'érosion annuelle pour moins de 7 % des précipitations. Rapportée à la seule surface dénudée des bassins, l'érosion annuelle est de 190 t/ha pour le bassin de la Roubine, 170 t/ha pour le Laval et seulement 115 t/ha pour le Moulin (dont les versants sont moins raides). Ceci correspond à une ablation de 12 mm par an, soit un équivalent de 6 mm de marne saine (Mathys et al., 1996). Des taux similaires ont été observés sur d'autres sites des Alpes du Sud ou d'Espagne (Canton et al., 2001 ; Descroix et Mathys, 2003).

8Au cours des crues, la concentration en matières en suspension de l'écoulement du Laval dépasse souvent 300 g/l et peut atteindre 800 g/l. Les concentrations maximales observées à l'exutoire du Moulin et de la Roubine sont plus faibles, comprises entre 300 et 400 g/l. Le dépôt maximum dans le piège à sédiments, placé à l'exutoire du Laval, a été de 700 m3 lors d'un orage de grêle en juillet 1986. Le volume des dépôts mesurés dépasse fréquemment 400 m3. La variabilité inter-épisodes est importante et les effets de la taille des bassins sont variables en fonction du type d'événements pluvieux. Les épisodes paroxystiques, correspondant aux orages violents, et plus particulièrement aux orages de grêle, sont très productifs sur tous les bassins mais plus particulièrement à l'échelle de la Roubine. Les événements d'automne moins intenses (avec des intensités instantanées dépassant rarement 50 mm/h) mais longs (de quelques heures à deux ou trois jours) mobilisent les matériaux présents dans les lits, entraînant des exportations élevées aux exutoires du Moulin et du Laval (plus de 20 t/ha). Ainsi, les précipitations avec des intensités de pluie modérées sont peu productives à l'échelle de la Roubine (moins d'un m3 dans le piège), mais peuvent être très actives à l'échelle du Laval (plus de 600 m3), dès lors qu'elles sont associées à un cumul pluviométrique élevé (100 à 300 mm en deux à trois jours). Ces observations témoignent de la forte non-linéarité des réponses des différents bassins aux épisodes pluvieux, en matière de flux liquides et surtout de flux solides. À des effets de seuil s'ajoutent des conditions initiales variables déterminant à la fois les stocks disponibles et le comportement du milieu. L'existence de connexions entre versants et lits ainsi que le caractère actif ou non de ces liaisons sont déterminants.

Importance de la morphologie pour l'étude de l'érosion

9La morphologie est un facteur majeur contrôlant l'érosion hydrique, comme en témoigne l'équation universelle de perte des sols (Wischmeier et Smith, 1978) qui fait intervenir explicitement des facteurs tels que la pente et la longueur de la pente qui en sont dérivés. Une description approfondie de l'espace et de son occupation, des formes du relief et de leur évolution est donc déterminante pour l'étude des processus érosifs et la compréhension de la formation des flux de sédiments. Elle permet en effet de caractériser les ravines, talwegs et zones de dépression, soit l'ensemble des cheminements préférentiels de l'eau. Elle permet également de déterminer la répartition, la forme et la connectivité des formations végétales et des zones dénudées avec le réseau hydrographique, autant de facteurs nécessaires pour évaluer les potentialités de contribution des ravines à la fourniture de sédiments (Rey, 2003). À l'échelle du versant, la densité et la forme du réseau de rigoles conditionnent l'activité des mécanismes de transport. Les fonds de ravines sont le siège des phénomènes de dépôt et de remobilisation des matériaux transportés : leur longueur, leur largeur, leur pente sont des paramètres indispensables à la quantification de ces phénomènes. Le suivi du remplissage des lits au cours des saisons permet d'étudier la formation de la charge solide des épisodes de crue. Par ailleurs, la connaissance des connexions entre ces cheminements peut apporter une aide substantielle pour la définition de la topologie d'un modèle numérique distribué de l'érosion hydrique. L'exemple de l'interface GeoWepp (Renschler, 2003) illustre la possibilité d'extraire automatiquement, à partir d'une représentation numérique du relief, les réseaux d'écoulement et les bassins versants pour structurer un modèle numérique d'érosion.

10La caractérisation de l'orientation des versants permet d'accéder à la durée d'ensoleillement, facteur très important en zone de montagne pour connaître les cycles de gel/dégel et ainsi mieux maîtriser les dynamiques de dégradation des sols et des roches. D.R. Montgomery et W.E. Dietrich (1994) ont proposé un schéma théorique reliant les principaux processus d'érosion avec les variables morphologiques : pente locale et surface amont drainée (fig. 2). Pour un régime donné, ces variables morphologiques peuvent être utilisées sous forme d'indices topographiques pour caractériser la potentialité d'une zone à activer ce processus. L. Vandekerckhove et al. (2000) ont, par exemple, caractérisé les seuils de départ et de comblement de ravines en zones méditerranéenne, à partir d'un tel indice topographique, tout comme Daba et al. (2003) en Éthiopie. La caractérisation du relief à plusieurs dates permet, par analyse multi-temporelle, de mesurer des manifestations de l'érosion largement répandues en zone de badlands comme les mouvements de terrain, le curage et le dépôt dans les ravines (cf. Martinez-Casasnovas, 2003 ; Daba et al., 2003).

Fig. 2 – Lien entre les principaux processus d'érosion et les variables morphologiques
Fig. 2 – Relationship between main sediment transport processes and morphological variables

Fig. 2 – Lien entre les principaux processus d'érosion et les variables morphologiquesFig. 2 – Relationship between main sediment transport processes and morphological variables

S = pente locale et A = surface amont drainée, modifié d'après D.R. Montgomery et W.E. Dietrich (1994).
S = local slope of the soil surface and A = drainage-basin area, modified from D.R. Montgomery and W.E. Dietrich (1994).

11Étant donné le rôle majeur de la morphologie de ces différents compartiments du système, des travaux de caractérisation du relief ont été entrepris dès le début des recherches menées sur les bassins de Draix. En 1984-1985, des relevés topographiques et photogrammétriques précis ont été conduits en collaboration avec l'Institut Géographique National (Egels et al., 1989). L'érosion annuelle a été évaluée par différence entre deux MNT réalisés à un an d'intervalle, puis comparée aux mesures obtenues aux exutoires des bassins instrumentés. Par la suite, ces travaux ont été poursuivis et certains sont encore en cours. En 1993, un suivi topographique détaillé du lit principal de la ravine du Laval a été conduit afin de mesurer les dépôts et de tester différents modèles de transport solide (Richard, 1999). Ces mesures ont nécessité, pour chaque campagne, quatre jours de travail d'une équipe de trois personnes. Elles étaient complétées par les croquis morphologiques d'un géographe, tâche pour laquelle des prises de vue détaillées des lits auraient été d'un grand secours. Depuis 2002, des suivis de transects dans le réseau du Laval et du Moulin, complétés de croquis morphologiques des remplissages de certaines ravines, sont conduits à différentes époques de l'année. Mais ces relevés sont très gourmands en temps. La longueur et la complexité du réseau du Laval, la difficulté d'accès aux ravines d'amont (seuils difficiles à franchir, pentes raides) ne permettent pas le relevé de la totalité du réseau. Les prises de vue détaillées permettraient une analyse plus exhaustive de la situation du réseau. Depuis 2001, un inventaire et un suivi des mouvements de versants, complétés par des mesures de positionnement GPS, sont réalisés et alimentent une base de données cartographiques des mouvements de versant et de leur évolution. Là encore, la longueur du réseau hydrographique, les accès difficiles ou dangereux induisent des lacunes dans cet inventaire. Le retour périodique sur l'ensemble des sites inventoriés est également très exigeant en temps.

12Pour finir, la représentation du relief sous forme numérique (MNT) est largement privilégiée, car elle facilite grandement les analyses diachroniques et l'extraction de nombreuses variables morphologiques, en particulier grâce à des algorithmes développés dans les Systèmes d'Informations Géographiques (SIG). Elle joue un rôle majeur pour les traitements d'images spatiales puisque leur bon positionnement planimétrique requiert de corriger les déformations induites par le relief à travers l'orthorectification (Muraz et al., 1999).

Observation des zones érodées depuis l'espace

Intérêt du vecteur aérien

13En fournissant une observation rapide à prix modeste sur de larges zones, la télédétection constitue un moyen privilégié d'acquisition de données pour venir compléter les mesures de terrain. Il n'est donc pas étonnant de trouver de nombreuses publications sur l'utilisation des imageries aériennes et satellitales pour cartographier les manifestations de l'érosion dès que la zone à observer dépasse quelques hectares, comme en témoigne le numéro spécial de la revue Hydrological Processes (17, 5, 2003) intitulé "Application of Geographic Information Systems and Remote Sensing for Quantifying Patterns of Erosion and Water Quality". De nombreux travaux étudient également le potentiel de la télédétection pour définir, à l'échelle régionale, des propriétés du sol conditionnant sa vulnérabilité à l'érosion : états de surface (Courault, 1989), indicateurs de dégradation des sols (Hill et al., 1995 ; Hill et Schutt, 2000 ; Servenay et Prat, 2003) ou indicateurs d'érodibilité (Mathieu et al., 1997).

14Cependant les résolutions spatiales disponibles à partir des vecteurs satellitaires (taille de pixel décamétrique) ont longtemps limité la gamme des objets observables. Ainsi, pour établir une cartographie des états de surfaces en milieu viticole méditerranéen, T. Wassenaar (2001) a dû recourir à des photographies prises par hélicoptère pour avoir une taille de pixel inférieure à l'écartement inter-rang des vignes. Un moyen de transport aérien permet par ailleurs de fréquents passages, contrairement au satellite dont la fréquence de passage est dictée par sa trajectoire orbitale. En contrepartie, cette solution est généralement beaucoup plus onéreuse, surtout lorsque l'on est amené à travailler sur des zones de plusieurs kilomètres carrés, et elle nécessite des traitements géométriques lourds. Le choix d'un vecteur aérien ou satellitaire est donc un difficile compromis entre de multiples facteurs : objectif d'observation, taille de la zone à observer, coût, résolution spatiale, précision géométrique, temps de traitement, flexibilité en termes de date et fréquence d'observation. Notons toutefois que les avancées récentes dans le domaine des capteurs embarqués par les satellites, avec des résolutions spatiales métriques (IKONOS, Orbview, SPOT 5 par exemple), ouvrent de nouvelles perspectives. Pour exploiter correctement ces images, c'est-à-dire caler et valider leurs traitements, le recours à des données de terrain est incontournable. Une solution complémentaire, souple et plus rapide pour collecter ces données de façon spatialisée ou pour mieux connaître localement les éléments du paysage, est possible par l'utilisation de photographies aériennes prises à basse altitude grâce à des appareils photos embarqués sur des modèles réduits télécommandés ou drones. Ce moyen d'acquisition de données spatialisées permet en effet de constituer un relais entre les données de terrain et de télédétection traditionnelle. Il exige, en contrepartie, des corrections géométriques complexes. Les principaux avantages du drone sur les hélicoptères ou les avions sont les suivants : solution moins onéreuse, prise de vue dans des zones très accidentées souvent inaccessibles ou dangereuses pour les pilotes, prise de vue à très basse altitude (de quelques mètres à 300 m), flexibilité temporelle du fait d'un affranchissement partiel des infrastructures (pistes de décollage notamment) et réglementations en vigueur régissant le vol. La petite taille des bassins versants expérimentaux de l'ORE Draix se prête bien à cet outil.

15Une présentation et une discussion sur les différentes voies d'acquisition de données topographiques à partir de photographies aériennes prises par des vecteurs aériens sont exposées et discutées par J. B. Henry et al. (2002). La figure 3 permet de replacer la solution utilisant un drone parmi les principales solutions utilisant un vecteur aérien. La précision métrique à centimétrique annoncée en terme de restitution géométrique pour X, Y et Z semble très prometteuse.

Fig. 3 – Différents modes d'acquisition et précision attendue sur le MNT, d'après J.B. Henry et al. (2002).
Fig. 3 – Different modes of photo acquisition and final accuracy of the processed DEM, after J.B. Henry et al. (2002).

Fig. 3 – Différents modes d'acquisition et précision attendue sur le MNT, d'après J.B. Henry et al. (2002).Fig. 3 – Different modes of photo acquisition and final accuracy of the processed DEM, after J.B. Henry et al. (2002).

16Rappelons que l'information produite à partir des images stéréoscopiques est le MNS (Modèle Numérique de Surface) c'est-à-dire l'enveloppe supérieure du terrain au-dessus du "sursol", en l'occurrence les éléments de végétation et non pas le MNT (Modèle Numérique de Terrain) correspondant au terrain naturel. L'obtention directe du MNT à partir de techniques spatiales est délicate, et seule la technique du LIDAR (laser aéroporté) multi-écho, aujourd'hui trop coûteuse pour de faibles superficies, permet de "traverser" le sursol. Une solution consiste à modifier le MNS en enlevant a posteriori l'épaisseur du sursol, si celui-ci est régulier et connu, ou bien en forçant l'altitude à celle du contexte pour des objets isolés.

Le drone Pixy

17Le Pixy (cf. http ://www.drone-pixy.net/ et fig. 4) est un para-moteur radiocommandé conçu par J. Asseline, ingénieur de l'IRD à Montpellier, en 1999. Cette machine, qui fait l'objet d'un brevet IRD, est fabriquée sous licence par ABS Aérolight (cf. http ://www.absaerolight.com/) et répond à un souci de production rapide et souple de vues aériennes prises à basse altitude et donc de haute précision (Asseline et al., 2000).

Fig. 4 – Vue en vol et principales caractéristiques du drone Pixy
Fig. 4 – View and main characteristics of the Pixy drone

Fig. 4 – Vue en vol et principales caractéristiques du drone PixyFig. 4 – View and main characteristics of the Pixy drone

(masse : 10 kg ; charge utile : 2 kg ; envergure : 3,40 m ; moteur : 22 cm3 ; taux de remontée : 0,7 m/sec ; plafond pratique : 500 m ; rayon d'action : ² 500m ; autonomie : 30 min. ; vitesse moyenne : 25 km/h)
(weight : 10 kg ; transport capacity : 2 kg ; width : 3,40 m ; engine : 22 cm3 ; rise rate : 0,7 m/sec ; maximal altitude : 500 m ; operating range : ² 500 m ; autonomy :30 min. ; mean velocity : 25 km/h).

18Les principales composantes embarquées sur le Pixy sont : un système de pilotage agissant sur les suspentes de la voilure (droite/gauche) et sur le régime du moteur (montée/descente), actionné à distance (radiocommande) ; un GPS en mode émission permettant un suivi en temps réel de la position du drone sur un moniteur de contrôle au sol (aide au pilotage) ; un système de transmission en temps réel envoyant l'image d'un appareil numérique embarqué sur un moniteur de contrôle au sol ; des capteurs analogiques et/ou numériques déclenchés à distance par un opérateur au sol. Le Pixy dispose d'une fixation modulaire sur potence articulée lui permettant d'emporter des capteurs d'un poids maximal de deux à trois kilos. Ce système pendulaire, équipé d'amortisseurs à bain d'huile, filtre les vibrations issues du moteur, assure la verticalité des vues et amortit les balancements des capteurs. Ce système permet d'embarquer un ou plusieurs appareils photographiques. Son point faible essentiel, revers de ses qualités de vol à basse vitesse et à faible vitesse, concerne une grande sensibilité au vent, le vol étant impossible si le vent est supérieur à 25 km/h.

Application aux bassins versants de Draix et premiers résultats

Zone-test et campagne d'acquisition de photographies sur le site de Draix

19Nous avons sélectionné une zone-test réduite et représentative : le bassin versant du Moulin (8 ha). L'application est fondée sur l'exploitation d'une première campagne de prise de vues réalisée en mai 2003, complétée par une campagne de relevés DGPS, réalisée dans le cadre du GIS (Groupement d'Intérêt Scientifique) Draix. Afin d'éviter les problèmes induits par l'étape d'élimination du sursol, l'estimation de l'extraction des variables morphologiques a été restreinte à la zone prédominante de sol nu. Dans ce cas, il n'y a pas de différence entre MNS et MNT.

20Une mission photographique s'est déroulée les 21 et 22 mai 2003 sur les bassins de Draix. Le premier jour a été consacré au repérage des sites à survoler (plans de vol, sites de décollage et d'atterrissage) et au placement d'une vingtaine de mires carrées à damier noir et blanc de 1 m de côté, implantées pour un repérage précis (fig. 5). Parallèlement a été effectuée une campagne DGPS (GPS différentiel à précision centimétrique en X,Y,Z) organisée par A. Bernard (IPGS-EOST, ULP Strasbourg). Elle nous a permis d'avoir la position précise de ces mires, ainsi que celle de quelque 550 points extérieurs. Les mires ont servi dans la phase de calage des paramètres de l'aéro-triangulation décrite au paragraphe précédent, les autres points pour la validation générale du MNS obtenu.

Fig. 5 – Photographies et repérage de mire.
Fig. 5 – Photographs and ground target location.

Fig. 5 – Photographies et repérage de mire. Fig. 5 – Photographs and ground target location.

A : photographie aérienne prise par le drone Pixy sur la zone d'étude ; B : vue détaillée (zoom) sur la zone comprenant une mire ; C : photographie au sol d'une mire.
A : aerial photograph taken by the Pixy drone over the test area ; B : zoom on a ground target ; C : ground photograph of a ground target.

21Le deuxième jour a eu lieu la mission photographique proprement dite. Les conditions aérologiques étaient des conditions classiques en montagne : flux du gradient perturbé localement par l'orographie, zones de confluences, forts cisaillements verticaux de la masse d'air, l'ensemble produisant de fortes perturbations gênant le vol. C'est pourquoi l'essentiel des vols a eu lieu le matin en air plus calme. En conséquence, des effets d'ombre parfois marqués (fig. 6B) viennent perturber les clichés.

22L'acquisition des images a été réalisée avec deux appareils "grand public" embarqués simultanément : un analogique (Nikon 24x36 et focale de 35 mm) et un numérique (Espon 3300 avec une matrice CCD de 2544x1536 pixels). Différents types de films ou images (noir et blanc, couleur ou infrarouge fausses couleurs) ont été testés à diverses altitudes. Ainsi une large gamme d'images du point de vue de la résolution spatiale, de la résolution spectrale, de la présence d'ombre et de la hauteur de vol a-t-elle été acquise au cours de cette campagne. Les figures 5 et 6 illustrent certaines de ces caractéristiques.

Prises de vue, mesures associées et choix des images

23La prise de vue est organisée par passages successifs sur la zone d'étude afin d'obtenir des clichés stéréoscopiques avec recouvrement. L'altitude de prise de vue est de l'ordre de 100 à 200 m, la vitesse de passage lente permet d'avoir des clichés sans filé. Le renvoi de la position en vol sur un moniteur de contrôle permet de suivre et de guider précisément le vol du drone, ce qui optimise le positionnement des prises de vues. Le choix du type d'appareil, celui de la focale et éventuellement de l'émulsion sont décisifs.

24Notre objectif étant la restitution du relief, nous avons retenu les clichés analogiques qui offrent la meilleure résolution spatiale. En effet, le scannage des négatifs analogiques permet d'accéder à une résolution des pixels, au sol, bien meilleure que celle des appareils numériques grand public. Dans notre cas, avec une altitude de vol de l'ordre de 200 m au-dessus du sol, le scannage à 5400 dpi a conduit à une résolution au sol de l'ordre de 6 cm. Concernant le type d'émulsion, les images en couleur naturelle ont été préférées aux images infrarouges pour éviter des zones d'ombre, liées à un horaire de vol plus tardif dans la matinée (fig. 6), mais également en raison du fait que, dans le cas des marnes, les clichés pris dans le proche infrarouge ne semblent pas apporter d'information nouvelle pour la connaissance du relief. À priori l'intérêt de ces images en proche infrarouge se situe au niveau de la cartographie des états de surface (sols nus et végétation).

Fig. 6 – Exemple de photographies couleur naturelle (A) et infrarouge couleur (B) sur la zone-test, présentées ici en niveaux de gris.
Fig. 6 – Example of natural colour (A) and infrared colour (B) photographs of the test area, presented here in greyscale tones.

Fig. 6 – Exemple de photographies couleur naturelle (A) et infrarouge couleur (B) sur la zone-test, présentées ici en niveaux de gris.Fig. 6 – Example of natural colour (A) and infrared colour (B) photographs of the test area, presented here in greyscale tones.

La méthode d'extraction du MNS

25La couche "altitude" est extraite à partir de techniques classiques en photogrammétrie en utilisant le module photogrammétrique "orthobase" du logiciel commercial Erdas Imagine. La méthode de production du MNS est fondée sur une procédure de corrélation automatique sur les comptes numériques des pixels de plusieurs images stéréoscopiques (Kraus et Waldhäusl, 1998). Cette technique permet de retrouver les points homologues entre les diverses images et ainsi de calculer, pour chaque pixel, la parallaxe et donc l'altitude en ce point. Cette méthode nécessite deux ou plusieurs clichés stéréoscopiques se recouvrant sur la zone d'étude, ainsi qu'un certain nombre de points de calage, bien répartis et connus en (X, Y, Z).

26Les principales phases de traitements en photogrammétrie numérique sont au nombre de quatre. La première concerne le scannage des films. Après l'acquisition des images, il convient (en cas de vues analogiques) de les transformer en mode numérique. Cette étape suppose l'utilisation d'un scanner à négatif ou à diapositive de haute performance, en termes de résolution et de géométrie pour limiter les déformations induites. Vient ensuite l'orientation interne. Il faut définir les caractéristiques internes propres à la chambre de vue (distance focale, paramètres de distorsions dues à la lentille) et à la position du cliché étudié par rapport à l'axe de vue (point central, marques fiduciaires). Ces éléments, aisés à obtenir avec des chambres de vues métriques, ne sont pas disponibles avec les chambres "non métriques" (cas d'appareil grand public) et non étalonnées en termes de déformations radiales. Dans notre test, ils ont été déterminés approximativement comme suit : le point central a été défini comme le centre géométrique du cliché déduit des quatre coins de l'image et les distorsions radiales ont été négligées. On passe à l'étape de l'orientation externe. Il s'agit de retrouver les paramètres géométriques de la caméra (position : X, Y, Z, et angles de roulis, tangage et lacet) au moment de la prise de vue. Pour chaque cliché, un processus itératif d'aérotriangulation est mis à contribution. Celui-ci est fondé sur une technique d'optimisation, utilisant un minimum de trois points de calage bien répartis sur le terrain et parfaitement connus en X, Y et Z (mires au sol). L'orientation de ces photos peut être analysée en bloc sur des groupes de plusieurs photos (au minimum 2) avec recouvrement ; elle se fonde sur les points de calage, ainsi que sur des points homologues repérés par l'opérateur sur plusieurs photographies. Ces derniers points sont sans référence terrain et ne nécessitent donc pas la collecte d'informations X Y Z. Ils participent à l'aérotriangulation commune et permettent de réduire la phase d'acquisition de données sur le terrain en diminuant le nombre de points de calage strictement nécessaires. On en arrive à la production du MNS. À partir des images scannées, le logiciel permet de reconstituer un MNS à la résolution des images ou, plus généralement, à une résolution dégradée par un facteur 3, 5 ou 7 pour un résultat lissé. À l'aide du MNS obtenu, on peut ensuite procéder à l'étape d'orthorectification (Kraus et Waldhäusl, 1998), c'est-à-dire le redressement des clichés photographiques dans un système de projection choisi pour obtenir un ensemble de vues superposables aux cartes.

Résultats en altimétrie

27La zone d'étude possède un relief très tourmenté : elle forme un rectangle d'environ 2 ha avec une dénivelée totale de 30 m. Les pentes des versants peuvent localement dépasser les 45°, avec des valeurs encore plus fortes en fond de ravines. Ces conditions sont très défavorables puisqu'une erreur de positionnement planimétrique (X, Y) en génère une autre, d'autant plus importante que le pente est forte, qui vient s'ajouter aux erreurs liées à la méthode d'extraction du Z. Pour une pente de 45° par exemple, une erreur de positionnement planimétrique de 1 m contribue à une erreur sur Z de 1 m.

28À partir des images scannées à 6 cm, nous avons analysé plusieurs MNS à des résolutions allant de 6 cm à 50 cm. Cependant cette résolution de sortie a peu d'effet sur les incertitudes qui restent globalement inchangées. La figure 7 montre le MNS sous forme de courbes de niveau équidistantes de 30 cm en altitude. La restitution du relief apparaît globalement cohérente. On peut remarquer l'influence de la végétation qui apparaît clairement pour les arbres isolés (fig. 7).

Fig. 7 – MNS (A) et photographie du couple stéréoscopique (B) sur un extrait de la zone (différence d'altitude entre 2 courbes de niveau : 30 cm).
Fig. 7 – DEM processed (A) and one photograph of the stereo pair used (B) on an extract of the study area (elevation difference between isocontour lines : 30 cm).

Fig. 7 – MNS (A) et photographie du couple stéréoscopique (B) sur un extrait de la zone (différence d'altitude entre 2 courbes de niveau : 30 cm).Fig. 7 – DEM processed (A) and one photograph of the stereo pair used (B) on an extract of the study area (elevation difference between isocontour lines : 30 cm).

29L'analyse de la précision est effectuée grâce aux 382 points DGPS dont on repère l'écart dZ entre l'attitude calculée sur le MNS et celle qui est observée sur le terrain (DGPS). On remarque (fig. 8) une variabilité forte de cet écart. L'écart-type de dZ est de 0,81 m et la moyenne des différences en valeur absolue est de 0,73 m, avec des valeurs très fluctuantes, pouvant localement dépasser deux mètres. Ainsi le MNS est globalement cohérent, mais présente de sérieux écarts locaux par rapport aux données de terrain. Ces forts écarts méritent discussion, car avec des images à 6 cm, on s'attendait à une meilleure précision. On peut leur donner deux origines : l'une provenant du dispositif d'acquisition des photographies et l'autre d'effets locaux liés à la zone d'observation.

Fig. 8 – Différences d'altitude entre MNS calculé et points DGPS.
Fig. 8 – Differences in elevation between processed DEM and DGPS values.

Fig. 8 – Différences d'altitude entre MNS calculé et points DGPS.Fig. 8 – Differences in elevation between processed DEM and DGPS values.

30Les écarts liés au dispositif d'acquisition, faiblement structurés dans l'espace, découlent certainement de l'incertitude du modèle de transformation, en particulier de l'absence de correction des déformations dues aux lentilles. Il semble important, surtout avec des appareils grand public, de tenir compte de ces éléments, ce qui devrait conduire à une réduction sensible de ce type d'écart. Une évaluation de ces déformations sur l'appareil photo ayant servi à la mission vient d'être conduite en condition expérimentale contrôlée, à l'aide d'un modèle réduit (Maatouk, 2004). Des marques fiduciaires ont été créées pour repérer précisément le centre optique et améliorer l'orientation interne des clichés. Ce travail a montré qu'une méthode de correction de ces déformations, composée d'une correction polynomiale et d'une correction locale, permettait d'améliorer les résultats sur l'extraction de Z de 35 %. Il a également mis en évidence l'importance significative de la répartition des mires. L'erreur trouve également sa source dans le positionnement en X et Y des mires sur l'image, dont la précision est estimée entre 1 et 2 pixels.

31Les écarts locaux liés à la zone d'observation sont dépendants de l'emplacement dans la toposéquence (haut et bas du ravin, etc) : ils sont plus forts dans les zones sombres et dans les ravines encaissées, mais généralement plus faibles dans les zones lumineuses exposées au soleil. Des effets combinés de géométrie (fortes pentes) et d'éclairement (ombres et lumière) peuvent expliquer cette structuration des disparités dans l'espace. Tout d'abord, les erreurs de positionnement en X Y ont un fort impact sur la valeur de l'altitude Z en zone de fortes pentes. Ensuite l'orientation des versants conditionne ses conditions d'éclairement, les versants à l'ombre ayant un contraste sur image plus faible qui induit de mauvaises corrélations automatiques. Enfin, les versants peuvent être, au contraire, trop éclairés, ce qui noie les détails de l'image et gêne également les corrélations. On en déduit que, pour amoindrir ces effets, il serait certainement plus efficace d'acquérir des photos en des journées peu ensoleillées, avec un éclairement diffus et homogène.

Résultats en planimétrie

32On sait que la phase d'orthorectification se satisfait généralement d'une altimétrie de précision moyenne. L'impact d'une erreur en Z conduit à des déplacements apparents faibles au centre de l'image et maximaux sur les bords ; dans notre cas avec une focale de 35 mm et un négatif 24x36 mm, et une erreur inférieure à 1 m en altimétrie, ce déplacement maximal est de l'ordre de 0,6 m. C'est effectivement ce que l'on obtient ici : l'examen du positionnement des mires permet de déduire une erreur quadratique en X Y de l'ordre de 2 à 5 pixels, soit moins de 30 cm. Globalement, la précision de positionnement en X Y apparaît comme très correcte au vu des besoins de cartographie de l'érosion.

Conclusion et perspectives

33Ce travail s'inscrit dans une démarche destinée à tisser les premiers liens d'une collaboration entre équipes multidisciplinaires dans un contexte d'analyse du risque d'érosion. De cette première campagne d'acquisition de photographies aériennes par drone, nous avons cherché à tirer des enseignements sur l'intérêt de ces images pour le suivi des zones érodées, sur l'estimation chiffrée des précisions à attendre, et sur les voies d'amélioration des techniques d'acquisition et de traitements pour accéder à une meilleure précision. Rappelons que la prise de photographies par drone est relativement aisée et rapide, même sur des secteurs au relief tourmenté tels que les bassins versants de Draix, le seul facteur vraiment limitant étant une vitesse de vent inférieure à 25 km/h. La faculté de revenir sur le site à intervalles réguliers ouvre la voie à un suivi temporel et à la création d'archives objectives et très précises de l'évolution spatio-temporelle de la zone.

34La précision altimétrique obtenue dans cette première tentative s'est avérée décevante avec une erreur quadratique moyenne de 0,80 m. Dans son état actuel, la restitution du relief n'est donc pas compatible pour la mesure des manifestations de l'érosion. En effet, les épaisseurs d'ablation ou de dépôt, engendrées par l'érosion diffuse et linéaire, se chiffrent plutôt en décimètres, voire en millimètres. Aujourd'hui, seuls les très importants mouvements de terrain peuvent donc être détectés et mesurés par une telle technique.

35Cette première expérience a permis de dégager un certain nombre d'améliorations possibles de la chaîne de traitements. Ces améliorations concernent la répartition des mires, les conditions de prise de vue, la correction des déformations géométriques liée aux imperfections de la lentille et la fabrication de marques fiduciaires dans la chambre de prise de vue. D'après les tests effectués (Maatouk, 2004), ces améliorations permettent de diminuer les imprécisions sur Z d'un facteur de deux à trois pour aboutir à une estimation altimétrique de l'ordre de 5 fois la taille du pixel, soit 30 centimètres dans notre application. Un tel résultat étend l'intérêt de la technique au suivi de certaines manifestations de l'érosion linéaire comme le suivi des dépôts dans le lit des ravines lors d'événements importants. Toutefois, il nous semble difficilement envisageable d'atteindre une précision inférieure au décimètre avec une telle technique : appareils grand public et logiciels du commerce. Ceci exclut donc d'apporter des informations sur la mesure différentielle des épaisseurs d'érosion (stock, ablation, dépôts) si la précision attendue pour ce type d'identification se chiffre en centimètres ou, a fortiori, en millimètres comme dans le cas de l'érosion diffuse.

36Par ailleurs, une telle démarche a bien d'autres intérêts que le suivi des manifestations de l'érosion par mesures différentielles diachroniques. En effet, la forme générale du relief est déjà bien restituée, ce qui peut être suffisant pour l'établissement d'indices topographiques, le calcul de la dénivelée, le positionnement d'un point par rapport au réseau de ravines, la caractérisation des principaux chemins de l'eau et de la pente des versants. La réalisation d'orthophotoplans (mosaïque de photographies orthorectifiées) ayant une résolution spatiale de quelques décimètres et une précision planimétrique de quelques décimètres est également rendue possible avec de telles données. L'analyse du contenu des images pour la reconnaissance des systèmes érosifs à travers les formes et les couleurs, bien que non abordée ici, est potentiellement d'un grand intérêt pour repérer les différents faciès du terrain, suivre l'évolution au cours du temps des états de surface, de la végétation, des zones érodées ou érodables, des zones délitées, de l'humidité différentielle des badlands. Il s'agit là d'un ensemble de facteurs pouvant conduire à une cartographie précise des zones productrices et de celles d'atterrissement de sédiments.

37En attendant de nouveaux développements méthodologiques pour extraire l'ensemble de ces facteurs et améliorer la restitution du relief, on ne peut que rester modeste et réaliste par rapport aux possibilités d'utilisation opérationnelle offerte par les images prises par drone. Il faut notamment garder à l'esprit que la prise de photographies aériennes à basse altitude ne peut concerner qu'un territoire restreint. En offrant la possibilité d'une observation détaillée et régulière, l'utilité de telles images se situe au plan du relais qu'elles peuvent offrir entre les mesures locales "in situ" et les caractérisations de bassins versants dans leur intégralité à partir d'images satellitaires ou aériennes traditionnelles. En ce sens, les images prises par drone peuvent jouer un rôle majeur pour la compréhension des mesures hydrologiques réalisées à l'exutoire des bassins versants, et donc pour la modélisation des processus d'érosion.

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Bibliographie

Antoine P., Giraud D., Meunier M., Van Ash T. (1995) – Geological and geotechnical properties of the "Terres Noires" in southeastern France : Weathering, erosion, solid transport and instability. Engineering Geology, 40, 3/4, 223-234.

Asseline J., De Noni G., Chaume R. (2000) – Note sur la conception et l'utilisation d'un drone lent pour la télédétection rapprochée, Photo Interprétation, images aériennes et spatiales, 37, Éditions ESKA, Paris, 3-9, 42-47.

Canton, Y., Domingo, F., Sole-Benet, A. and Puigdefabregas, J. (2001) – Hydrological and erosion response of a badlands system in semiarid SE Spain. Journal of Hydrology 252, 1/4, 65-84.

Collinet J., Zante P. (2005) – Analyse du ravinement de bassins versants tunisiens à retenues collinaires sur sols à fortes dynamiques structurales. Géomorphologie : relief, processus, environnement, ce numéro.

Courault D. (1989) – Étude de la dégradation des états de surface du sol par télédétection. Analyses spatiales, spectrales et diachroniques. Thèse de pédologie, Dép. Sols, INA-PG, de l'université Pierre-et-Marie Curie (Paris 6), 239 p.

Daba S., Rieger W., Strauss P. (2003) – Assessment of gully erosion in eastern Ethiopia using photogrammetric techniques. Catena 50, 2/4, 273-291.

Descroix L., Mathys N. (2003) – Processes, spatio-temporal factors and measurements of current erosion in the French southern Alps : A review. Earth Surface Processes and Landforms, 28, (9), 993-1011.

Egels Y., Kasser M., Meunier M., Muxart T., Guet C. (1989) – Utilisation de méthodes topographiques (photogrammétrie terrestre et télémétrie sans réflecteur) pour la mesure de l'érosion de petits bassins versants expérimentaux et comparaison avec les mesures de transport solide à l'émissaire. Colloque transport solide, La Houille Blanche, 3/4, 183-187.

Henry J. B., Malet J. P., Maquaire O., Grussenmeyer P. (2002) – The use of small-format and low-altitude aerial photos for the realization of high-resolution DEMs in mountainous areas : Application to the Super-Sauze earthflow (Alpes-de-Haute-Provence, France). Earth Surface Processes and Landforms, 27, (12), 1339-1350.

Hill J., Megier J., Mehl W. (1995) – Land degradation, soil erosion and desertification monitoring in Mediterranean ecosystems. Remote Sensing Reviews, 12, 1/2, 107-130.

Hill J., Schutt B. (2000) – Mapping Complex Patterns of Erosion and Stability in Dry Mediterranean Ecosystems. Remote Sensing of Environment, 74, 3, 557-569.

Johnson B. E., Julien P. Y., Molnar D. K., Watson C. C. (2000) – The two-dimensional Upland erosion model CASC2D-SED. Journal of the American Water Resources Association, 36, (1), 31-42.

King D., Le Bissonnais Y. (1992) – Rôle des sols et des pratiques culturales dans l'infiltration et l'écoulement des eaux. Exemple du ruissellement et de l'érosion sur les plateaux limoneux du nord de l'Europe. Comptes-Rendus de l'Académie Agricole de France, 78, 6, 91-105.

Kraus K., Waldhäusl P. (1998) – Manuel de photogrammétrie : principes et procédés fondamentaux. Translated by P. Grussenmeyer and O. Reis, Paris, Éditions Hermès, 407 p.

Maatouk F. (2004) – Precise DEM extraction from drone images. DESS TRISIG, Paris, 50 p.

Malet J. P., Auzet A. V., Maquaire O., Ambroise B., Descroix L., Esteves M., Vandervaere J. P., Truchet E. (2003) – Soil surface characteristics influence on infiltration in black marls : Application to the Super-Sauze earthflow (southern Alps, France). Earth Surface Processes and Landforms 28, (5), 547-564.

Martinez-Casasnovas J.A. (2003) – A spatial information technology approach for the mapping and quantification of gully erosion. Catena 50, 2/4, 293-308.

Mathieu R., King C., Le Bissonnais Y. (1997) – Contribution of multi-temporal SPOT data to the mapping of a soil erosion index. The case of the loamy plateaux of northern France. Soil Technology 10, 2, 99-110.

Mathys N., Brochot S., Meunier M. (1996) – L'érosion des Terres Noires dans les Alpes du Sud : contribution à l'estimation des valeurs annuelles moyennes (bassins versants expérimentaux de Draix, Alpes-de-Haute-Provence). Revue de Géographie Alpine, 2, 17-27.

Mathys N., Brochot S., Meunier M. and Richard D. (2003) – Erosion quantification in the small marly experimental catchments of Draix (Alpes de Haute Provence, France). Calibration of the ETC rainfall-runoff-erosion model. Catena 50, 2/4, 527-548.

Montgomery D. R., Dietrich W. E. (1994) – Landscape dissection and drainage area-slope thresholds. In Kirkby M.J. (ed.), Process Models and Theoretical Geomorphology. John Wiley, Chichester, 221-245.

Morgan R. P. C., Quinton J. N., Rickson R. J. (1994) – Modelling methodology for soil erosion assessment and soil conservation design : the EUROSEM approach. Outlook on Agriculture 23, 5-9.

Muraz J., Durrieu S., Labbé S., Andréassian V., Tangara M. (1999) – Comment valoriser les photos aériennes dans les SIG ? Ingénieries EAT, 20, 39-58.

Renschler C. S. (2003) – Designing geo-spatial interfaces to scale process models : the GeoWEPP approach. Hydrological Processes, 17, (5), 1005-1017.

Rey F. (2003) – Influence of vegetation distribution on sediment yield in forested marly gullies. Catena, 50, 2/4, 549-562.

Richard D. (1999) – Dynamique du transport solide du torrent du Laval à Draix. Les bassins versants expérimentaux de Draix laboratoire d'étude de l'érosion en montagne. Actes du séminaire, Draix Le Brusquet Digne, 22-24 octobre 1997. Cemagref Éditions, Antony, 187-198.

Richard, D., Mathys, N. (1999) – Historique, contexte technique et scientifique des BVRE de Draix. Caractéristiques, données disponibles et principaux résultats acquis au cours de dix ans de suivi. Les bassins versants expérimentaux de Draix laboratoire d'étude de l'érosion en montagne. Actes du séminaire, Draix Le Brusquet Digne, 22-24 octobre 1997. Cemagref Éditions, Antony, 11-28.

Servenay A., Prat C. (2003) – Erosion extension of indurated volcanic soils of Mexico by aerial photographs and remote sensing analysis. Geoderma 117, 3/4, 367-375.

Vandekerckhove L., Poesen J., Wijdenes D. O., Nachtergaele J., Kosmas C., Roxo M. J., de Figueiredo T. (2000) – Thresholds for gully initiation and sedimentation in Mediterranean Europe. Earth Surface Processes and Landforms, 25, (11), 1201-1220.

Wassenaar T. (2001) – Reconnaissance des états de surface du sol en milieu viticole méditerranéen par télédétection à très haute résolution spatiale. Thèse de doctorat, Spécialité Sciences de la vie, École Nationale Supérieure Agronomique de Montpellier, 194 p.

Wischmeier W. H., Smith D. D. (1978) – Predicting rainfall erosion loss : a guide to conservation planning. Washington DC, USDA Handbook, 58 p.

Woolhiser D. A., Smith R. E., Goodrich D. C. (1990) – KINEROS, A Kinematic Runoff and Erosion Model : Documentation and User Manual. U S. Department of Agriculture, Agricultural Research Service, ARS-77, 130 p. Fig. 1 – Localisation des bassins versants de Draix et de la zone-test. 1 : bassin expérimentaux et réseau de drainage ; 2 : mesures de débit ; 3 : pluviographes.

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Annexe

Abridged English Version

Low-altitude aerial photographs taken from a drone can generate high-accuracy mapping products and Digital Elevation Models (DEMs). The drone used, called Pixy, is a small, motorised, radio-controlled parasail developed by the IRD. Its main characteristic (fig. 4) is a slow velocity (25 km/h), making it possible to take accurate photographs at low altitudes (< 200 m). Since it is driven by remote control, its flight can be tracked on a computer screen directly in the field to take pictures at chosen points, a useful technology for studying small areas.

This paper evaluates the advantages of this technology in mapping and altimetry reconstitution (DEM) in the area of the Draix erosion observatory, using a widely available camera and an existing photogrammetric software. The study area is part of the research and experimental Draix basins dedicated to surveying badlands erosion. These basins show a very rough topography, with steep slopes and deeply incised gullies. Our test covers the Moulin catchment (2 ha, fig. 1), where slopes are steeper than 45° and the difference in elevation (Z) is about 30 m.

Several photographic surveys have been tested with digital or analog cameras and natural or infrared colour films (fig. 6). In this case, the solution chosen uses analog natural colour film, and the area was scanned at a very precise resolution. At a flight altitude of approximately 200 m, the ground resolution (pixel size) appears to be close to 6 cm.

To evaluate the location accuracy of the results derived from the data photographs, a DGPS campaign was carried out and 382 ground control points, known in (X, Y, Z) with a accuracy of one centimetre, were collected. The comparison shows that the (X, Y) accuracy is roughly 10–20 cm, which appears acceptable for a first test. Unfortunately, the Z accuracy was quite disappointing (fig. 8) and must be improved. With an 80-cm standard deviation, two types of flaws were unravelled. The first, depending on location within the test area, has two origins : zones that exhibit high variability in Z, and areas covered by high-contrast images (too dark or too light). We therefore recommend that future photographic surveys organise flights on days with soft and homogeneous light. The second flaw, more widely distributed, may result from lens distortions. Applying a specific lens correction, F. Maatouk (2004) shows that Z accuracy could be improved to the value of five times the pixel size (30 cm in our case).

The test emphasizes the great potential of the Pixy vector to produce low-cost images with a spatial resolution measured in decimetres or centimetres. Our study demonstrates that the products can be used in rough landscapes and areas that are of uneasy access such as badlands. They are well-adapted for high-scale and repetitive mapping on small experimental catchments such as those found at the Draix observatory. Their main interest in the study of erosion issues is to provide a link between the local-scale survey (ground data) and the traditional remote sensing survey (aerial photograph or satellite). Such products can thus help further the understanding of hydrological measurements at the catchment outlet.

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Table des illustrations

Titre Fig. 1 – Localisation des bassins versants de Draix et de la zone-test.Fig. 1 – Location of the Draix catchments and of the test area.
Légende 1 : bassin expérimentaux et réseau de drainage ; 2 : mesures de débit ; 3 : pluviographes.1 : experimental catchment and drainage network ; 2 : limnigraph and solid transport measurements ; 3 : raingauges.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/209/img-1.png
Fichier image/png, 75k
Titre Fig. 2 – Lien entre les principaux processus d'érosion et les variables morphologiquesFig. 2 – Relationship between main sediment transport processes and morphological variables
Légende S = pente locale et A = surface amont drainée, modifié d'après D.R. Montgomery et W.E. Dietrich (1994).S = local slope of the soil surface and A = drainage-basin area, modified from D.R. Montgomery and W.E. Dietrich (1994).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/209/img-2.png
Fichier image/png, 39k
Titre Fig. 3 – Différents modes d'acquisition et précision attendue sur le MNT, d'après J.B. Henry et al. (2002).Fig. 3 – Different modes of photo acquisition and final accuracy of the processed DEM, after J.B. Henry et al. (2002).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/209/img-3.png
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Titre Fig. 4 – Vue en vol et principales caractéristiques du drone PixyFig. 4 – View and main characteristics of the Pixy drone
Légende (masse : 10 kg ; charge utile : 2 kg ; envergure : 3,40 m ; moteur : 22 cm3 ; taux de remontée : 0,7 m/sec ; plafond pratique : 500 m ; rayon d'action : ² 500m ; autonomie : 30 min. ; vitesse moyenne : 25 km/h) (weight : 10 kg ; transport capacity : 2 kg ; width : 3,40 m ; engine : 22 cm3 ; rise rate : 0,7 m/sec ; maximal altitude : 500 m ; operating range : ² 500 m ; autonomy :30 min. ; mean velocity : 25 km/h).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/209/img-4.png
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Titre Fig. 5 – Photographies et repérage de mire. Fig. 5 – Photographs and ground target location.
Légende A : photographie aérienne prise par le drone Pixy sur la zone d'étude ; B : vue détaillée (zoom) sur la zone comprenant une mire ; C : photographie au sol d'une mire.A : aerial photograph taken by the Pixy drone over the test area ; B : zoom on a ground target ; C : ground photograph of a ground target.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/209/img-5.png
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Titre Fig. 6 – Exemple de photographies couleur naturelle (A) et infrarouge couleur (B) sur la zone-test, présentées ici en niveaux de gris.Fig. 6 – Example of natural colour (A) and infrared colour (B) photographs of the test area, presented here in greyscale tones.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/209/img-6.png
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Titre Fig. 7 – MNS (A) et photographie du couple stéréoscopique (B) sur un extrait de la zone (différence d'altitude entre 2 courbes de niveau : 30 cm).Fig. 7 – DEM processed (A) and one photograph of the stereo pair used (B) on an extract of the study area (elevation difference between isocontour lines : 30 cm).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/209/img-7.png
Fichier image/png, 482k
Titre Fig. 8 – Différences d'altitude entre MNS calculé et points DGPS.Fig. 8 – Differences in elevation between processed DEM and DGPS values.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/209/img-8.png
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Pour citer cet article

Référence papier

Damien Raclot, Christian Puech, Nicolle Mathys, Bruno Roux, Andres Jacome, Jean Asseline et Jean-Stéphane Bailly, « Photographies aériennes prises par drone et Modèle Numérique de Terrain : apports pour l'observatoire sur l'érosion de Draix », Géomorphologie : relief, processus, environnement, vol. 11 - n° 1 | 2005, 7-20.

Référence électronique

Damien Raclot, Christian Puech, Nicolle Mathys, Bruno Roux, Andres Jacome, Jean Asseline et Jean-Stéphane Bailly, « Photographies aériennes prises par drone et Modèle Numérique de Terrain : apports pour l'observatoire sur l'érosion de Draix », Géomorphologie : relief, processus, environnement [En ligne], vol. 11 - n° 1 | 2005, mis en ligne le 01 juillet 2007, consulté le 26 juin 2017. URL : http://geomorphologie.revues.org/209 ; DOI : 10.4000/geomorphologie.209

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