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Abridged English Version Low-altitude aerial photographs taken from a drone can

Abridged English Version Low-altitude aerial photographs taken from a drone can generate high-accuracy mapping products and Digital Ele- vation 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 di- rectly in the field to take pictures at chosen points, a useful technology for studying small areas. Géomorphologie : relief, processus, environnement, 2005, n° 1, p. 7-20 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**, Jean-Stéphane Bailly* * UMR3S Cemagref/ENGREF, Maison de la télédétection, 500 rue J.F. Breton, F-34093 Montpellier cedex 5. E-mail : damien.raclot@teledetection.fr ** UMR LISAH, 2 place Pierre Viala F-34060 Montpellier cedex 02. E-mail : raclot@ensam.inra.fr ; E-mail : asseline@mpl.ird.fr *** Division ETNA, Cemagref, BP 76 38402 Saint Martin d'Hères. E-mail : nicolle.mathys@cemagref.fr Résumé 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 bad- lands. Les points d'intérêt concernent : le vecteur lui-même, un drone para-moteur type "Pixy", le type d'appareil photo et les films uti- lisés, 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'amé- lioration de la chaîne de traitement des images sont également présentées. Mots clés : érosion, morphologie, MNT, photographie aérienne, drone, très haute résolution spatiale, Draix. Abstract A multidisciplinary team is currently studying erosion in the Draix observatory area, which encompasses several experimental research catchments in mountain areas. The main objective is to improve our knowledge on the spatial and temporal dynamics of erosion pro- cesses. This consisted, in part, in developing survey methodologies to map erosion variables and patterns. We tested the capability of low-altitude aerial photographs to extract morphological characteristics of badlands, using high-scale mapping and DEM extraction. This paper focuses on the "Pixy" drone, the cameras and films used, the generation of cartographic products and DEMs, and the accu- racy obtained. With a horizontal accuracy of 30 cm, and despite vertical accuracy that needs to be improved, these products demons- trate great potential for obtaining better knowledge and survey of badlands areas. Future research to improve image acquisition and processing is also outlined. Key words: erosion, morphology, DEM, aerial photography, drone, very high resolution, Draix. 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 dif- ference in elevation (Z) is about 30 m. Several photographic surveys have been tested with digi- tal or analog cameras and natural or infrared colour films (fig. 6). In this case, the solution chosen uses analog natu- ral 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 accu- racy 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 sur- veys 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 understan- ding of hydrological measurements at the catchment outlet. Introduction Le 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 Observa- toire de Recherche en Environnement 1 (ORE Draix, Alpes de Haute-Provence, France) qui comprend quatre bassins versants d'expérimentation et de recherche allant de 0,1 hec- tare, 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 reproduc- tible 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 compré- hension de la dynamique spatio-temporelle des phénomènes d'érosion, de telles méthodes de caractérisation sont forte- ment 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 labo- rieuses et très consommatrices en temps-homme, comme en témoignent les campagnes de cartographie des états de sur- faces (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 dyna- miques d'évolution intra-annuelle marquées, parfois tribu- taires des événements climatiques (évolution des ravines par exemple), ce qui exige une très grande flexibilité dans l'ac- quisition 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'expri- mant à la fois en termes de thématique (signification de l'élément observé), de géométrie (en X, Y et Z) et de tem- poralité (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 per- formance et robustesse n'a pas toujours été optimisé pour des applications civiles, notamment dans le domaine de la géomorphologie et sur des terrains accidentés. L'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 préci- sion de l'altimétrie obtenue sur des zones accidentées et éro- dées, à partir d'images à très haute résolution spatiale, acquises par un drone léger, équipé d'appareils uploads/Geographie/ geomorphologie-1-2005-raclot-puech-mathys-roux-jacome-asseline-bailly.pdf