Développement d'un système de caméras thermiques 3D pour effectuer des analyses aériennes

Les systèmes de caméras aériennes obliques, qui enregistrent des images haute résolution en 3 dimensions, sont souvent utilisés pour cartographier des zones urbaines et obtenir des données géographiques aériennes. Jusqu'en 2017, aucun de ces systèmes n'était parvenu à enregistrer des images thermiques 3D. En réponse à cette demande, une équipe de la Anhalt University of Applied Sciences à Dessau, en Allemagne, a développé un système d'imagerie thermique/RGB qui produit des images 3D en superposant les images de 4 caméras numériques et 4 caméras FLIR A65sc avec des champs de vision de 25°.

L'Institute for Geoinformation and Surveying

La Anhalt University of Applied Sciences à Dessau propose des cours dans le domaine de la surveillance depuis 1992 et en géoinformatique depuis 2002. L'ancien département de surveillance a été transformé en Institute for Geoinformation and Surveying. En tant qu'institut au sein de la Faculty of Architecture, Facility Management et Geoinformation, il associe des compétences académiques et de recherche dans les domaines de la surveillance et de la géoinformatique. En plus de l'enseignement, l'institut se consacre à la recherche appliquée.

L'idée et ses zones d'application

Un des projets de l'institut consistait à développer un nouveau système d'imagerie thermique et de caméras RGB, qui produirait des images 3D en superposant les images prises depuis un autogire embarquant 8 caméras. Le professeur Lutz Bannehr, qui dirige les départements d'acquisition de géodonnées et de technologie des capteurs de l'institut, a eu cette idée en avril 2016. Alors que des systèmes de caméras 3D (également appelés systèmes de caméras obliques RGB) avec des résolutions très élevées existaient, aucun de ces systèmes ne pouvait offrir les avantages des données thermiques. Le professeur Bannehr avait effectué des expériences sur l'imagerie thermique, en achetant une caméra infrarouge refroidie FLIR SC3000 en 2001 et avait participé à une formation en thermographie. Il était persuadé qu'une solution qui utilisait des caméras thermiques non refroidies était possible. Celles-ci pourraient proposer de nombreuses utilisations potentielles, y compris : le recueil de données d'inventaire, la surveillance, le contrôle du volume dans les opérations d'exploitation à ciel ouvert, le contrôle des feux de forêt, les analyses d'isolation, les estimations de rendement pour les systèmes de chauffage photovoltaïque et solaire, la surveillance environnementale, l'imagerie géologique et topographique, et même la production de modèles de villes numériques.

Le projet

Le professeur Bannehr a soumis la proposition de recherche et a constitué une petite équipe de développement qui comprenait notamment son étudiant en thèse Christoph Ulrich, Hermann Kaubitzsch de bgk infrarotservice GmbH (Riesa), une société d'intégration FLIR, et Henrik Pohl du producteur d'autogires, Airborne Technical Systems (Berlin). Même avec une superposition de 85 % en longueur et en largeur, les caméras haute résolution conventionnelles ne pouvaient pas capter chaque détail des côtés des bâtiments. Par conséquent, l'équipe a conçu un système composé de 4 caméras RGB et de 4 caméras thermiques disposées de manière à ce que leurs images se superposent pour produire des images thermiques 3D et des géodonnées 3D. Ces données ont ensuite pu être analysées et évaluées avec un logiciel standard.

Les caméras

Pour créer ce système, l'équipe a choisi 4 caméras thermiques A65sc FLIR ainsi que 4 caméras RGB compactes d'un autre fabricant qui produisent des images d'environ 5 mégapixels. Kaubitzsch a conseillé à l'équipe d'utiliser la caméra thermique FLIR A65sc « en raison de sa bonne résolution d'imagerie thermique de 640 × 512 pixels, de sa fréquence d'images de 30 Hz, de son port Ethernet et de ses dimensions extrêmement compactes de 106 × 40 × 43 mm. » Hermann Kaubitzsch était également responsable de la synchronisation et de l'évaluation des caméras, ce qui n'était pas une mince affaire.

Contrôles et spécifications de l'AOS-TX8

Une équipe d'étudiants a développé une disposition 3D pour les 8 caméras qui devait prendre aussi peu de place que possible dans l'autogire ultraléger. Une base conçue pour l'occasion a même été créée pour monter le système dans l'autogire. Un nom a également été trouvé rapidement pour le « système oblique aérien » : AOS-Tx8. Ce système est contrôlé par Ethernet et les données image s'affichent sur un écran de 10''. « Il y a quelques années de cela, nous avons effectué des tests avec une autre caméra thermique, mais la contrôler via Ethernet a moins bien fonctionné que prévu, » a expliqué le professeur Bannehr. « Les modèles FLIR A65sc ont permis de résoudre ce problème. » Le système AOS-Tx8 complet pèse seulement 11,6 kg et mesure 330 × 400 × 320 mm. Il est équipé de connexions pour l'utilisation manuelle des caméras et pour le système de gestion du vol, ainsi que d'une souris, d'un écran, d'un clavier (connexion USB pour l'ensemble) et de l'alimentation.

Synchronisation des caméras thermiques

La superposition entre les caméras FLIR est de 12 % ou 3°. Il a fallu synchroniser les 4 caméras thermiques FLIR pour obtenir des données exploitables et éviter des variations de température pour les valeurs mesurées aux endroits où les images se superposent. Pour des raisons techniques, les caméras thermiques non refroidies ont une variation de mesure de température pouvant aller jusqu'à ±5 %. Un test des 4 caméras à l'aide d'un projecteur de référence a indiqué que les écarts prévus étaient également présents mais qu'ils étaient répartis de manière linéaire sur tout le spectre. Par conséquent, il a été possible d'utiliser une des caméras comme caméra de  référence (idéalement, celle avec la valeur moyenne) puis de régler les autres caméras en fonction de cette caméra de référence.

Vol inaugural

Le 15 août 2017, l'heure était venue de faire un essai. L'AOS-Tx8, monté dans l'autogire, était prêt a effectuer ses premières mesures aériennes. Le déroulement des événements avait été clairement défini. L'équipe devait utiliser des programmes de planification des vols pour tracer le voyage inaugural et utiliser Google Earth pour les données cartographiques. Les données de planification du vol, y compris les points où les images sont prises, sont copiées dans le système de gestion des vols. 

Pendant le vol, ces données ont été utilisées pour déclencher l'AOS-Tx8 et d'autres capteurs. À la suite des vols d'essai au-dessus du campus de Strenzfeld de la Anhalt University, d'autres vols ont également été effectués en août au-dessus de Magdeburg. Ces images n'ont pas seulement été prises à un angle vertical (images orthogonales infrarouges) mais ont également été utilisées pour produire des images thermiques 3D à grande échelle qui montraient également l'efficacité de l'isolation sur les bâtiments.

Résultats obtenus par le système oblique aérien (AOS-TX8)

L'AOS-Tx8 a permis d'obtenir pour la première fois un modèle de surface numérique permettant de déterminer précisément les hauteurs des bâtiments ainsi qu'un modèle de terrain numérique en RGB et infrarouge. L'AOS-Tx8 est simple à utiliser et les données peuvent être évaluées à l'aide de logiciels standards comme Photoscan ou Pix4D.

Perspectives

L'institut possède désormais une FLIR A655sc pour le recueil de données aériennes qui ne nécessite pas d'images 3D. Ainsi, nous pouvons nous préparer au prochain projet de recherche infrarouge mené par le professeur Bannehr et son équipe innovante à l'Institute for Geoinformation and Surveying de la Anhalt University of Applied Science à Dessau.