Classification du sol et extraction de MNT à partir du LiDAR aéroporté

Dans le schéma ASPRS, le sol est la classe 2 — la terre nue, dépouillée de tout ce qui repose dessus. À l'écran, c'est la couche la plus discrète d'un bloc classifié : pas de toits, pas de canopée, pas de câbles, seulement la forme du terrain. Pourtant, presque tous les produits de terrain qu'une équipe de production livre reposent dessus. Le modèle numérique de terrain, les courbes de niveau qui en découlent, les rasters de pente, les données d'entrée du renforcement hydrographique — tous héritent de ce que la classe sol a bien saisi, et de chaque erreur qu'elle porte.

Ce guide s'adresse aux équipes qui livrent des produits de terrain. Il explique pourquoi le sol est la classe fondatrice, comment le modèle de terrain se rattache aux modèles de surface et de canopée construits à partir du même balayage, les grandes familles de méthodes de filtrage du sol et là où chacune tend à peiner, le terrain qui met en échec un filtre de façon récurrente, et la révision qu'une surface traverse avant d'être livrée.

Le sol est la classe dont hérite chaque produit de terrain

Un modèle numérique de terrain n'est rien d'autre qu'une interpolation de la classe sol. Alimentez-le avec un jeu de points sol propre et complet, et la surface suit le terrain réel ; alimentez-le avec un sol qui retient encore quelques arbustes, le coin bas d'un bâtiment ou une dispersion de bruit, et chacune de ces intrusions devient une bosse, une crête ou un pic dans le modèle. Comme le MNT est le parent de tant d'autres produits, l'erreur ne reste pas en place. Une bosse résiduelle dans la surface du sol décale une courbe de niveau de sa position réelle, fausse une valeur de pente, et peut détourner un chemin de drainage modélisé autour d'un obstacle qui n'existe pas vraiment.

L'échec inverse coûte tout aussi cher. Filtrer trop agressivement rabote du terrain réel — le pied d'un talus abrupt, le bord d'un déblai routier — et le modèle s'affaisse là où le terrain ne s'affaisse pas. La classification du sol équilibre le retrait de tout ce qui n'est pas du terrain et la conservation de tout ce qui en est, et toute la chaîne en aval se joue à ce point d'équilibre.

MNT, MNS et MHC : trois surfaces à partir d'un balayage

Un même bloc LiDAR produit plusieurs surfaces distinctes, et les confondre est une source fréquente de malentendus à la livraison. Trois reviennent constamment, et ce qui les distingue tient entièrement aux retours à partir desquels elles sont construites.

Le MNS montre le monde tel que le capteur l'a d'abord vu, cimes des arbres et toits compris. Le MNT montre le terrain comme si tout ce qui s'y trouve avait été soulevé. Le MHC — le modèle de hauteur de canopée — est la différence entre les deux : une hauteur normalisée qui mesure de combien chaque élément s'élève au-dessus du sol, ce qui explique qu'il dépende directement d'un modèle de terrain correct en dessous. Une classe sol faible ne gâche pas seulement le MNT ; elle corrompt discrètement les hauteurs de canopée qui en sont calculées.

Comment fonctionne réellement le filtrage du sol

Il n'existe pas un algorithme unique derrière la classification du sol. Plusieurs familles de méthodes se sont développées au fil des ans, chacune reposant sur une hypothèse différente de ce qui distingue le terrain de tout le reste. La plupart des outils de production en implémentent une ou plusieurs, et savoir comment chacune se comporte aide un réviseur à lire les artefacts qu'elle laisse derrière elle.

• La densification progressive de TIN part d'un ensemble épars de points bas de départ, construit une surface triangulée et ajoute un point au sol dès qu'il tombe dans des limites d'angle et de distance fixées par rapport à la triangulation en croissance. Elle s'adapte bien aux terrains vallonnés et variés, mais ses seuils sont sensibles : trop serrés, elle mord dans les pentes ; trop lâches, elle grimpe sur les grands toits plats.
• Les filtres morphologiques traitent le nuage de points comme une image et appliquent une opération d'ouverture avec une fenêtre mobile, retirant tout ce qui s'élève trop brusquement au-dessus de son voisinage. Ils sont simples et rapides, mais une seule taille de fenêtre ne convient jamais à la fois à un petit arbuste et à un grand bâtiment ; la plupart des implémentations font donc varier la fenêtre sur plusieurs tailles — et le terrain abrupt tend malgré tout à être raboté ou marché en escalier.
• La simulation de tissu (CSF) inverse le nuage de points et y fait retomber par-dessus un tissu simulé ; les points qui finissent près du tissu stabilisé sont désignés comme sol. Elle est intuitive et demande peu de paramètres, ce qui la rend populaire pour les terrains doux, mais les falaises, les crêtes vives et les talus abrupts sont précisément là où un tissu tombant ne peut suivre la surface réelle.
• Les approches apprises entraînent un modèle sur des données déjà classifiées et le laissent prédire le sol directement à partir de la géométrie des points. Elles peuvent capter des motifs que les méthodes à base de règles manquent, mais elles ne généralisent qu'aussi loin que portent leurs données d'entraînement : un terrain sans rapport avec ce sur quoi elles ont été entraînées est là où elles trébuchent, et leur sortie doit encore être révisée comme toute autre.

Aucune méthode n'a raison dans tous les contextes. On choisit un filtre selon le terrain et le couvert du projet, on l'ajuste sur un sol représentatif, et on le juge sur ce qu'il produit plutôt que sur son nom.

Le terrain qui met en échec un filtre de sol

La majeure partie d'un bloc se classifie généralement sans peine. Le temps de révision va à une courte liste de situations où les hypothèses de tout filtre commencent à s'effriter, et où un réviseur s'attend à trouver du travail à faire.

• Pentes abruptes et ruptures nettes. Falaises, déblais routiers et parois de carrière montent plus vite qu'un filtre fondé sur la pente ne l'anticipe ; du terrain se fait donc raboter comme s'il s'agissait d'un objet, ou le filtre se relâche et laisse passer des objets. Le terrain abrupt est là où sur-filtrage et sous-filtrage se rejoignent.
• Canopée dense avec peu de retours au sol. Sous une forêt fermée, seule une faible part des impulsions atteint le sol et en revient. Le MNT doit être interpolé sur de larges lacunes, et la tentation d'y verser la végétation basse pour les combler est forte — ce qui surélève la surface au lieu de la décrire.
• Bâtiments sur pente. Un grand toit plat sur un terrain en pente peut ressembler, pour un filtre, à une terrasse de sol réel. Les grandes toitures industrielles sont une source classique de sol qui est en réalité un bâtiment.
• Végétation basse collée au terrain. Herbes hautes, arbustes et cultures ne s'élèvent qu'à quelques centimètres du sol, trop près pour qu'un seuil de hauteur les sépare proprement, et ils soulèvent la surface en une couverture molle et spongieuse s'ils ne sont pas retenus.
• Ponts et chaussées surélevées. Un tablier de pont n'est pas du sol — il enjambe le terrain — il est donc tenu en classe 17 et gardé hors de la surface, sinon le MNT se bombe jusqu'au tablier et bouche le chenal en dessous. Une chaussée bâtie en remblai de terre plein, à l'inverse, est du terrain véritable et reste dans le sol. Distinguer les deux relève d'un jugement que le filtre ne peut porter seul.

Comment les réviseurs vérifient une surface de sol

Une classe sol n'est pas acceptée parce qu'un filtre a fini de tourner. Elle est acceptée parce que quelqu'un a regardé la surface produite sans pouvoir la prendre en défaut. Les réviseurs s'appuient sur un petit ensemble de vues qui rendent visibles les erreurs de filtrage, car celles-ci sont presque impossibles à repérer dans un nuage de points brut.

• Ombrer le MNT. Un rendu en relief ombré de la surface de terrain révèle ce qu'une vue en points cache : des creux là où un point bas parasite a percé un trou, des bosses là où de la végétation ou le coin d'un bâtiment a survécu, et l'effet d'escalier ou de terrasses laissé par les filtres à fenêtre. La plupart des problèmes de premier passage apparaissent ici.
• Découper des coupes transversales dans les points sensibles. Un profil mince à travers un talus, un pont ou une parcelle de forêt montre d'un coup d'œil si les points sol suivent la surface réelle ou remontent dans la canopée et les structures. Les coupes sont le moyen le plus rapide de confirmer une erreur soupçonnée.
• Comparer les recouvrements de lignes de vol. Là où deux bandes couvrent le même sol, elles doivent concorder. Une surface qui se décale entre des lignes qui se recouvrent signale un problème de classification ou d'ajustement qu'une vue à bande unique ne révélerait jamais.
• Vérifier par sondage contre des surfaces connues. Points de contrôle d'arpentage, chaussées planes et autres endroits dont l'altitude est connue par ailleurs permettent de vérifier directement si le sol se tient là où il le devrait.
• Examiner les bords de tuiles. Un sol défini un peu différemment de part et d'autre d'une limite de tuile laisse une couture dans la surface fusionnée. Des bords cohérents sont ce qui permet aux tuiles voisines de former un modèle continu.

Intégrer l'extraction du sol dans un flux de production

À l'échelle du projet, le sol est extrait bloc par bloc. La zone est découpée en tuiles, chaque tuile est traitée avec une marge de recouvrement pour que le filtre dispose d'un contexte au-delà de ses propres bords, puis les tuiles sont refusionnées ensuite. C'est cette marge qui maintient la surface continue à travers les coutures que le réviseur inspectera plus tard.

Il vaut mieux garder deux activités distinctes. L'ajustement des paramètres — choisir un filtre et régler ses seuils — se fait une fois sur un sol représentatif, puis s'applique à tout le bloc. La révision des sorties est un autre travail : lire la surface produite par les réglages et décider si elle est assez bonne pour être livrée. Fusionner les deux, en retouchant les paramètres tuile par tuile pendant la révision, est la façon dont un projet perd sa cohérence, car la définition du sol dérive discrètement d'une tuile à l'autre.

Quel que soit l'ajustement, l'étape de révision demeure. Aucun filtre, à base de règles ou appris, ne produit une surface livrable sans être vue, et l'intérêt d'un bon flux de travail est de rendre cette révision rapide plutôt que de l'escamoter. C'est la forme que prend le travail sur le sol dans Vecten Desktop, dont le module VGround gère l'extraction du sol et du terrain et présente ses résultats sous forme de sorties révisables — surfaces ombrées, coupes et classes modifiables — pour que la personne qui valide le MNT regarde le terrain, et ne se fie pas seulement au fait qu'un traitement a tourné. Le filtre fait le gros du travail ; la révision est là où la surface gagne sa place dans un livrable.