Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur

Pierre Grussenmeyer

Description

Niveau: Supérieur

• redaction


• mémoire

Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur Strasbourg I Discipline : Sciences pour l'Ingénieur Spécialité : Topographie-Géomatique Par : Fayez TARSHA KURDI Extraction et reconstruction de bâtiments en 3D à partir de relevés lidar aéroportés Soutenue publiquement le 06 novembre 2008 Membres du jury Directeur de thèse : M. Pierre GRUSSENMEYER, Professeur des Universités Rapporteur interne : M. Ernest HIRSCH, Professeur des Universités Rapporteur externe : M. Laurent POLIDORI, Professeur des Universités Rapporteur externe : M. Nicolas PAPARODITIS, Directeur de Recherche Examinateur : Mme Tania LANDES, Maître de Conférences Membre invité : M. Hans Peter BÄHR, Professeur des Universités

• ordre de succession des arêtes de toit


• bâtiment


• toit du bâtiment


• nuage de point


• relations de voisinage entre les plans de toit


• régions de topographie accidentée


• techniques de segmentation automatique de points


• système d'acquisition par balayage laser aéroporté


• analyse des relations mutuelles

Sujets

• Redaction
• Mémoire
• Louis Pasteur University
• Polidori
• Landes
• Hirsch

Informations

• Publié par: profil-nechor-2012
• Publié le: 01 novembre 2008
• Nombre de lectures: 120
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

Thèse présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l?Université Louis Pasteur
Strasbourg I


Discipline : Sciences pour l?Ingénieur
Spécialité : Topographie-Géomatique


Par : Fayez TARSHA KURDI


Extraction et reconstruction de
bâtiments en 3D à partir de relevés lidar
aéroportés



Soutenue publiquement le 06 novembre 2008


Membres du jury

Directeur de thèse : M. Pierre GRUSSENMEYER, Professeur des Universités
Rapporteur interne : M. Ernest HIRSCH, Professeur des Universités
Rapporteur externe : M. Laurent POLIDORI, Professeur des Universités
Rapporteur externe : M. Nicolas PAPARODITIS, Directeur de Recherche
Examinateur : Mme Tania LANDES, Maître de Conférences
Membre invité : M. Hans Peter BÄHR, Professeur des Universités





Remerciements







Je tiens à remercier M. GRUSSENMEYER pour m?avoir accueilli au sein du laboratoire MAP-PAGE
et pour ses conseils toujours pertinents et l?autonomie dont j?ai bénéficié lors des choix scientifiques.

Je remercie Mme LANDES pour ses conseils avisés et son aide pendant la thèse et spécialement
pendant la correction de la thèse.

Ensuite, je remercie les membres du jury, particulièrement M. HIRSCH, M. POLIDORI et M.
PAPARODITIS pour le temps consacré à la relecture précise du manuscrit.

Puis, je remercie M. BÄHR d?avoir accepté de participer au jury.

A tous les collègues et étudiants du laboratoire : Majd, Chokri, Hakim, Emmanuel, Elise, Eva, et
Camille pour leur gentillesse et leur soutien.

A Sam et Bernard pour leur aide.

A toutes les personnes travaillant au laboratoire de photogrammétrie pour la bonne ambiance dans
laquelle ils m?ont permis d?évoluer. Merci à toutes les personnes qui ont participé de près ou de loin à
la rédaction de ce mémoire.

Je souligne les remerciements à l?équipe de la bibliothèque de l?INSA de Strasbourg Pascal-Olivier
SERRE, Mme DECOVILLE et spécialement Thierry SCHAETZLE pour leur sympathie et leur aide.

A ma chère mère et à l?âme de mon père.

A ma femme Afraa et à mes enfants Ryma et Housen-Taher.




















i






















































ii Résumé


La vitesse d?acquisition des données 3D à très haute résolution et le traitement automatique de ces
données sont des sujets de recherche d?actualité dans le domaine de la topographie. Dans ce contexte,
le système d?acquisition par balayage laser aéroporté (lidar) trouve toute sa place. Il fournit des nuages
de points 3D de densité élevée et de distribution plus ou moins régulière.

Pour construire automatiquement un modèle 3D d?une ville à partir de données lidar, deux étapes sont
indispensables. La première consiste à segmenter automatiquement le nuage de points pour en extraire
des classes (en général le sol, les bâtiments et la végétation). La seconde se base ensuite sur la classe
« bâtiments » pour en modéliser les éléments de manière automatique. C?est pourquoi, il est nécessaire
de dresser deux états de l?art : l?un synthétisant les techniques de segmentation automatique de points,
et l?autre rassemblant les méthodes existantes de modélisation 3D de bâtiments.

L?approche proposée consiste à réaliser une segmentation automatique en deux étapes. La première
étape vise à segmenter le Modèle Numérique de Surface (MNS) en deux classes que sont le « sol » et
le « sursol ». Pour cela, un seuillage local est appliqué par le biais d?un opérateur de convolution.
Cette procédure permet de séparer le sursol du sol, même dans les régions de topographie accidentée.
La deuxième étape consiste à détecter les bâtiments à partir de la classe « sursol ». A cet effet, le MNS
et le nuage de points sont utilisés conjointement de manière à profiter des atouts de chacun. En effet, la
superposition des deux couches d?informations livre une information intéressante sur la nature des
objets imagés et permet de détecter les noyaux des bâtiments. Enfin, un algorithme de croissance de
région est appliqué pour compléter ces noyaux et améliorer la forme des bâtiments.

Ensuite, concernant la modélisation automatique de bâtiments, elle revient à représenter un bâtiment
sous sa forme vectorielle. Deux techniques principales de modélisation d?un bâtiment ressortent de la
littérature : les modélisations paramétriques et les modélisations non paramétriques. L?approche
proposée s?emploie à suivre le chemin de la modélisation non paramétrique composé de trois étapes
essentielles : la modélisation des façades, la modélisation 2D des toits et la modélisation 3D des toits.
Pour modéliser les façades d?un bâtiment, on détecte tout d?abord son contour. Pour ce faire, on utilise
la technique de Douglas-Peucker qui permet de décomposer le contour des bâtiments selon ses
façades. Puis, l?application de la théorie des moindres carrés permet de calculer le plan moyen passant
par les points situés le long de chaque façade du bâtiment. Pour modéliser ensuite le toit du bâtiment,
la technique RANSAC (RANdom SAmple Consensus) est adaptée et appliquée afin de détecter
automatiquement les plans les plus probables du toit. Afin de mettre en évidence les arêtes internes du
toit, les relations de voisinage entre les plans de toit sont étudiées à partir de l?image comportant les
plans principaux. Après mise en évidence de toutes les arêtes de toit, leurs relations de jonctions sont
analysées. Ces relations de jonction entre arêtes représentent l?ordre de succession des arêtes de toit.
Pour terminer, les nœuds principaux entre arêtes sont détectés. La détection des plans de toit, des
arêtes et enfin des nœuds de toit permettent ainsi de modéliser les toits des bâtiments en 2D. A ce
stade, le passage de la 2D à la 3D implique le calcul des coordonnées 3D des nœuds principaux de toit
et l?analyse des relations mutuelles entre plans de toit.

Enfin, après avoir évalué la précision et le temps de traitement requis, on peut conclure que la méthode
proposée est satisfaisante. De plus, elle convient à la majorité des types de bâtiments ainsi qu?à des
nuages de points de densités différentes. Une fois les modèles 3D de bâtiments et le Modèle
Numérique de Terrain (MNT) reconstruits automatiquement, il faut se pencher sur l?extraction
d?autres objets artificiels et naturels dans la ville comme par exemple la végétation et les axes routiers.


Mots clés : Lidar, Modélisation, Segmentation, Bâtiment, MNS, Détection

iii






















































iv Sommaire



Introduction et Problématique................................................................................................................. 1
1. Introduction..................................................................................................................................... 2
2. Problématique ................................................................................................................................. 3

Chapitre 1 : Technique du balayage laser aéroporté……...……………………………………………..7
1.1. Système laser aéroporté ou lidar........................................................................................... 8
1.2. Description des composantes du système lidar............................................................................ 8
1.3. Aper