Principes fondamentaux de la précision des jumeaux numériques 3D par drone

Les drones ont révolutionné la manière dont nous recueillons des données sur le monde qui nous entoure. Nous pouvons désormais créer des copies haute résolution du monde physique à l’échelle et à un coût moindre, mais cela nécessite l’utilisation d’outils appropriés pour obtenir des jumeaux numériques 3D photoréalistes précis.

Dans cet article, nous verrons comment les drones aident à produire des jumeaux numériques grâce à la photogrammétrie et à quel niveau de précision.

Mais tout d’abord, un peu de terminologie.

Qu’est-ce que la photogrammétrie ?

La photogrammétrie est la science qui consiste à prendre des mesures et à créer des modèles 3D à partir de photographies. Elle implique l’utilisation d’un logiciel spécialisé pour traiter plusieurs images d’un même objet ou d’une même scène, prises sous différents angles, afin de créer un modèle ou une carte en 3D.

Les drones sont l’outil le plus agile pour collecter des images du monde réel. Ils peuvent capturer des images aériennes à partir d’une variété d’angles et d’altitudes et sont capables de couvrir des zones difficiles d’accès ou dangereuses.

Que signifie la précision dans la cartographie par drone ?

Lorsqu’il s’agit de reconstruire le monde réel à partir d’images, il y a deux façons d’envisager la précision : la précision relative et la précision absolue.

• Précision relative (ou locale)
  Se rapporte à la position des éléments dans la reconstruction. Par exemple, la distance mesurée entre deux fenêtres sur le modèle d’un bâtiment doit être la même que dans le monde réel, ce qui constitue une bonne précision relative.
• Précision absolue (ou globale)
  Il s’agit de la précision de la reconstruction par rapport à sa position réelle sur Terre. Une bonne précision absolue est obtenue lorsque la latitude et la longitude d’un point du modèle du bâtiment correspondent bien aux coordonnées GPS réelles de ce point dans le monde réel.

Une reconstruction peut avoir une bonne précision relative tout en ayant une mauvaise précision absolue.

Qu’est-ce que le GSD ?

La résolution au sol (Ground Sampling Distance ou GSD en anglais) est la distance entre le centre de deux pixels consécutifs. En d’autres termes, il s’agit de la résolution de la reconstruction.

Le GSD dépend de la hauteur de vol du drone et des spécifications de la caméra. La même hauteur de vol avec une caméra à plus haute résolution produira un GSD plus petit et plus de détails dans la reconstruction.

Quels sont les drones utilisés pour la création de jumeaux numériques en 3D ?

Deux principaux types de drones sont utilisés pour la photogrammétrie : les drones multirotors et les drones à voilure fixe.

Drones multirotors

Les drones multirotors peuvent fonctionner dans une grande variété d’environnements car ils peuvent décoller et atterrir n’importe où. En revanche, ils ont besoin de beaucoup de puissance pour maintenir leur portance, ce qui limite leur temps de vol. En moyenne, un drone multirotor ne peut voler que 20 à 30 minutes avant que la batterie ne soit épuisée.

Chez Nomoko, nous travaillons avec le DJI Matrice 300 RTK.

Le DJI Matrice 300 est un drone polyvalent car il peut être équipé de différentes charges utiles configurées selon les besoins de la mission. Nous utilisons actuellement un système de caméra oblique avec cinq capteurs. L’objectif est d’obtenir les détails les plus fins de la façade d’un bâtiment, ce qui n’est pas possible avec des caméras ordinaires.

Il s’agit d’un drone industriel très fiable, dotée de systèmes de sécurité redondants tels que GPS, IMU, batteries, baromètre et capteurs de vision. Cela nous permet d’effectuer des opérations en toute sécurité au-dessus des zones urbaines et d’éviter les accidents dus à une seule défaillance. Avec le DJI M300 RTK, nous utilisons des systèmes de parachute indépendants et certifiés qui garantissent qu’aucune personne ne soit blessée, quelles que soient les circonstances.

Le GSD des projets capturés avec ce système est de 1,5 cm/px, ce qui signifie que chaque pixel reconstruit correspond à 1,5 cm dans la réalité.

Drones à voilure fixe

Les drones à voilure fixe tirent parti de leur aérodynamisme pour voler longtemps ce qui les rend idéaux pour l’arpentage de vastes zones. La durée de vol typique d’un drone à voilure fixe est de 50 à 90 minutes.

Cependant, les drones à voilure fixe ne peuvent voler que vers l’avant et ne peuvent pas rester en vol stationnaire, ils sont donc moins maniables que les drones multirotors. En outre, leur conception est similaire à celle des avions, ce qui signifie qu’ils ont besoin d’un grand espace dégagé pour décoller et atterrir. C’est pourquoi Nomoko travaille avec le WingtraOne Gen II, un drone VTOL (à décollage et atterrissage verticaux) qui combine les avantages des drones à voilure fixe et des drones multirotors.

Le GSD attendu pour les projets capturés avec ce système est de 3 à 4,0 cm/pixel.

De quel niveau de précision ai-je besoin pour mon projet de jumeau numérique ?

Pour déterminer le niveau de précision requis pour un projet particulier, il est important de tenir compte de l’utilisation prévue du modèle 3D. Par exemple, un modèle 3D d’un bâtiment à des fins de conception architecturale peut nécessiter un niveau de précision plus élevé qu’un modèle 3D d’une vaste zone à des fins de contextualisation.

Le niveau de précision a également une incidence sur le coût du modèle 3D, car il influe sur le temps nécessaire pour survoler une zone, capturer les images et les traiter.

Recréer le monde en 3D avec des drones

Pour créer un modèle 3D précis, les images doivent être traitées à l’aide d’un logiciel de haute qualité capable de faire correspondre avec précision les caractéristiques des images et de créer le modèle 3D final.

Grâce à notre processus de modélisation 3D sur mesure, nous convertissons les images de drones 2D en jumeaux numériques haute résolution en un temps record et à grande échelle. Nous sommes en mesure de capturer des villes entières de manière extrêmement détaillée et plus rapidement que jamais.

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