Pourquoi le modèle de mon drone RTK présente-t-il un décalage vertical dans Agisoft Metashape ?

Vous traitez un levé réalisé à l’aide d’un drone RTK : les caméras s’alignent correctement, le nuage de points est d’excellente qualité et le modèle semble cohérent en interne. Puis, lorsque vous comparez le résultat avec les points de contrôle relevés, vous constatez que l’ensemble du projet présente un décalage vertical de plusieurs mètres.

Il s’agit là de l’un des problèmes les plus complexes de la photogrammétrie professionnelle par drone.

Dans de nombreux cas, un décalage vertical observé sur un modèle de drone RTK dans Agisoft Metashape ne signifie pas que la technologie RTK a échoué ni que la reconstruction photogrammétrique est imprécise. Le problème peut simplement tenir au fait que les coordonnées du drone et les données de référence topographiques utilisent des définitions différentes de la hauteur.

Les causes les plus courantes sont les écarts entre les hauteurs ellipsoïdales et orthométriques, un géoïde ou un référentiel vertical incorrect, ou encore des informations d’altitude erronées enregistrées dans les métadonnées des images prises par le drone.

Ce guide explique le fonctionnement de ces systèmes de hauteur et ce qu’il convient de vérifier lorsque votre projet Metashape est précis sur le plan horizontal mais présente un décalage vertical.

Pourquoi un levé RTK précis peut-il présenter un décalage vertical ?

Le positionnement RTK permet d’obtenir des coordonnées de caméra très précises, mais une coordonnée n’a de sens que si son système de référence est correctement compris.

Les coordonnées horizontales et les coordonnées verticales n’utilisent pas nécessairement le même type de référence.

Un récepteur GNSS détermine généralement l’altitude par rapport à une surface de référence mathématique appelée « ellipsoïde ». Les géomètres et les projets d’ingénierie utilisent toutefois souvent des altitudes référencées par rapport au niveau moyen de la mer, à l’aide d’un modèle de géoïde.

Si l’on compare directement les hauteurs ellipsoïdales obtenues par drone aux hauteurs orthométriques des points de contrôle topographiques, la position horizontale peut sembler correcte, tandis que le modèle dans son ensemble apparaît décalé verticalement.

Ce décalage peut atteindre plusieurs mètres, voire plusieurs dizaines de mètres, selon la situation géographique.

Hauteur ellipsoïdale et hauteur orthométrique

Pour bien cerner le problème, il convient de distinguer trois valeurs :

h = hauteur ellipsoïdale
H = altitude orthométrique, souvent définie comme l’altitude au-dessus du niveau moyen de la mer
N = ondulation du géoïde ou séparation du géoïde

Cette relation s’exprime généralement comme suit :

h = H + N

ou :

H = h – N

Le récepteur GNSS fonctionne principalement avec l’ellipsoïde, tandis que de nombreux repères topographiques classiques utilisent des altitudes orthométriques.

Imaginez qu’un drone RTK indique une hauteur ellipsoïdale de 142 mètres et que l’écart par rapport au géoïde dans la zone de levé soit d’environ 47 mètres.

L’altitude orthométrique correspondante serait d’environ :

142 m – 47 m = 95 m

Si vous comparez directement la coordonnée ellipsoïdale de 142 mètres avec celle d’un point de contrôle mesuré à environ 95 mètres au-dessus du système de référence vertical concerné, le projet peut sembler présenter une erreur verticale d’environ 47 mètres, même si les deux mesures sont correctes dans leurs systèmes de référence respectifs.

Comment Metashape interprète les altitudes des caméras

Ceci est particulièrement important lors du traitement d’images RTK dans Agisoft Metashape Professional.

Par défaut, Metashape considère que les valeurs d’altitude chargées dans le volet « Référence » correspondent à des hauteurs estimées à partir de l’ellipsoïde correspondant.

Si vos coordonnées utilisent en revanche des altitudes référencées par rapport à un géoïde, le projet doit utiliser le système de coordonnées verticales approprié.

Metashape Professional prend en charge des repères verticaux configurables basés sur des grilles d’ondulation du géoïde, ce qui permet de combiner correctement les référentiels de coordonnées horizontales et verticales.

Si vous ne configurez pas correctement la référence verticale, vous risquez d’obtenir un modèle précis en interne, mais qui présente des incohérences verticales par rapport à vos points de contrôle ou à vos données SIG.

Qu’est-ce qu’un géoïde ?

La Terre n’est ni une sphère parfaite, ni un ellipsoïde parfaitement régulier.

Un géoïde est une surface de référence irrégulière fondée sur la gravité, qui représente approximativement le niveau moyen mondial de la mer et son prolongement sous les continents.

Le géoïde et l’ellipsoïde étant des surfaces différentes, leur écart varie selon les régions.

Cela signifie que vous ne pouvez pas résoudre un problème lié à la différence entre l’ellipsoïde et le géoïde en appliquant une seule valeur de correction globale universelle.

Il convient d’utiliser le modèle de géoïde adapté au site du projet ainsi que le système de référence de coordonnées approprié.

Comment utiliser un géoïde dans Agisoft Metashape

Agisoft Metashape Professional prend en charge les systèmes de coordonnées verticaux et les modèles de géoïde.

Si le géoïde requis est disponible, il peut être installé et associé au système de coordonnées horizontales approprié afin de créer un système de référence de coordonnées composé.

Dans Metashape, ouvrez la sélection du système de coordonnées à partir des paramètres du volet « Référence » et sélectionnez ou configurez le système de coordonnées qui combine :

Le système de référence de coordonnées horizontales correct
Le système de coordonnées verticales approprié
Le modèle de géoïde correspondant

Une fois que le niveau de référence vertical correct a été appliqué, Metashape est en mesure d’effectuer correctement la transformation entre les références altimétriques basées sur l’ellipsoïde et celles basées sur le géoïde, dès lors que les données de transformation requises sont disponibles.

DJI : altitude absolue vs altitude relative

Une autre source potentielle d’erreurs verticales réside dans les informations d’altitude enregistrées dans les métadonnées des images DJI.

Les images DJI peuvent contenir deux valeurs d’altitude importantes :

Altitude absolue
Altitude relative

L’altitude relative correspond à l’altitude de l’aéronef par rapport au point de décollage.

La fonction « AbsoluteAltitude » a pour but de fournir une valeur d’altitude absolue associée à l’image.

Agisoft a recensé des cas dans lesquels la valeur « AbsoluteAltitude » enregistrée dans les métadonnées de l’image peut être erronée.

Metashape lit les métadonnées disponibles et utilise ces valeurs dans le volet « Référence ». Le logiciel ne sait pas automatiquement si une altitude incorrecte enregistrée par l’aéronef doit être remplacée par une autre valeur.

Cela signifie qu’un ensemble de données peut sembler contenir des informations GPS précises tout en comportant néanmoins une référence verticale erronée.

Comment vérifier les métadonnées d’altitude DJI dans Metashape

Une fois vos images importées, ouvrez le volet « Référence » et vérifiez les coordonnées de la caméra.

Examinez attentivement les valeurs d’altitude.

Posez-vous la question suivante :

Ces altitudes sont-elles réalistes pour le site de levé ?
Sont-elles à peu près égales à l’altitude prévue du terrain plus l’altitude de vol ?
S’agit-il de hauteurs ellipsoïdales ou de hauteurs orthométriques ?
Les points de contrôle du levé ont-ils été mesurés en utilisant la même référence verticale ?
L’erreur verticale reste-t-elle à peu près constante tout au long du projet ?

Un décalage vertical pratiquement constant observé sur plusieurs points de contrôle indépendants constitue un indice important.

Si chaque point de contrôle présente approximativement le même dénivelé, le problème peut être lié à une référence altimétrique, au géoïde ou à un décalage altimétrique systématique, plutôt qu’à une mauvaise reconstruction photogrammétrique.

Et si l’altitude absolue indiquée par DJI était erronée ?

Si l’altitude absolue enregistrée dans les images DJI est erronée, une méthode possible consiste à utiliser la valeur « RelativeAltitude » en combinaison avec la hauteur ellipsoïdale connue du point de décollage.

D’un point de vue conceptuel :

Hauteur ellipsoïdale de la caméra = hauteur ellipsoïdale du point de décollage + altitude relative

Agisoft propose des scripts Python permettant de lire les métadonnées d’altitude de DJI et d’appliquer un décalage d’altitude connu aux coordonnées de la caméra.

Une fois les altitudes de référence des caméras corrigées, il convient d’appliquer les coordonnées mises à jour avant de poursuivre l’optimisation finale et la génération des produits de levé.

Veillez à toujours conserver le projet d’origine ou les données de coordonnées avant d’appliquer des corrections d’altitude en masse.

La technologie RTK ne signifie pas automatiquement une hauteur orthométrique

Ce malentendu est particulièrement fréquent avec les drones RTK modernes.

Le fait que le statut « RTK FIX » s’affiche ne signifie pas automatiquement que l’altitude enregistrée dans chaque image est déjà exprimée en hauteur au-dessus du niveau moyen de la mer.

La technologie RTK permet avant tout d’améliorer la précision de la position GNSS.

L’utilisateur doit toutefois comprendre :

Le système de référence de coordonnées
Le référentiel GNSS
L’ellipsoïde
Le niveau de référence vertical
Le modèle du géoïde
Comment le drone stocke les métadonnées d’altitude

Une coordonnée très précise, mais référencée par rapport à un système vertical erroné, peut néanmoins donner lieu à une erreur apparente importante lorsqu’on la compare à des données topographiques utilisant une autre référence altimétrique.

Pourquoi mes coordonnées horizontales sont-elles correctes alors que l’altitude est erronée ?

C’est l’un des indicateurs les plus évidents d’un problème de référence verticale.

Supposons que vos points de contrôle indépendants révèlent des écarts horizontaux de l’ordre du centimètre, mais que toutes les mesures verticales soient supérieures ou inférieures de plusieurs mètres à la valeur réelle.

La reconstruction photogrammétrique peut tout de même s’avérer très bonne.

Avant de modifier les paramètres d’alignement, de reconstruire le nuage de points ou de supposer que le système RTK a connu une défaillance, vérifiez si les coordonnées de la caméra et les points de contrôle utilisent la même référence verticale.

Un décalage systématique en Z est fondamentalement différent des erreurs d’élévation aléatoires observées à l’échelle du projet.

Décalage vertical constant ou erreur verticale variable

La nature de l’erreur peut vous aider à en identifier la cause.

Décalage vertical approximativement constant

Si la plupart des points de contrôle présentent un décalage en Z similaire, veuillez vérifier les éléments suivants :

Altitudes ellipsoïdales et altitudes orthométriques
Modèle de géoïde incorrect ou manquant
Référence verticale incorrecte
Métadonnées DJI AbsoluteAltitude
Une station de base fixe ou un décalage de coordonnées

Erreurs verticales variables

Si les erreurs verticales varient de manière significative sur l’ensemble de la zone d’étude, examinez d’autres facteurs tels que :

Géométrie de caméra insuffisante
Chevauchement insuffisant des images
Variations de qualité RTK
Paramètres de précision de la caméra incorrects
Étalonnage de la caméra
Déformation par laminage ou systématique
Mesures incorrectes des points de contrôle au sol

La modification du géoïde ne permet généralement pas de corriger un modèle photogrammétrique présentant des distorsions géométriques.

Comment résoudre un décalage vertical dans Metashape

Voici une procédure pratique de dépannage :

Vérifiez les valeurs d’altitude de la caméra dans le volet « Référence ».
Veuillez vérifier quel type d’altitude est utilisé dans les coordonnées du drone.
Vérifiez quelle référence altimétrique est utilisée par les points de contrôle ou les points de contrôle géodésiques (GCP).
Vérifiez si le décalage en Z est à peu près constant.
Vérifiez le système de coordonnées du projet.
Configurez le repère vertical ou le modèle de géoïde approprié si nécessaire.
Vérifiez les métadonnées « DJI AbsoluteAltitude » et « RelativeAltitude ».
Corrigez les données d’altitude de la caméra qui sont erronées, le cas échéant.
Mettez à jour les informations de référence et optimisez à nouveau les caméras.
Vérifiez le projet corrigé à l’aide de points de contrôle indépendants.

Pourquoi les points de contrôle sont-ils indispensables avec les drones RTK ?

La technologie RTK améliore considérablement le positionnement des appareils photo, mais les points de contrôle indépendants restent l’un des meilleurs moyens de vérifier la précision réelle du projet photogrammétrique achevé.

Un point de contrôle dispose de coordonnées mesurées connues, mais n’est pas utilisé pour contraindre le modèle lors de l’ajustement.

La comparaison des résultats de Metashape avec les points de contrôle peut mettre en évidence :

Biais horizontal
Décalage vertical
Systèmes de coordonnées incorrects
Problèmes liés au niveau de référence vertical
Déformation inattendue

En l’absence de points de contrôle indépendants, un projet peut paraître précis en interne tout en comportant néanmoins un décalage absolu systématique.

Les GCP permettent-ils de résoudre le problème lié à l’ellipsoïde par rapport au géoïde ?

Les points de contrôle au sol permettent de centrer le modèle sur des coordonnées connues, mais ils ne doivent pas se substituer à une bonne compréhension des systèmes de référence de coordonnées du projet.

Si les coordonnées de la caméra et celles des points de contrôle au sol (GCP) utilisent des systèmes de référence verticaux différents sans transformation appropriée, le projet contient des informations de référence incohérentes.

La meilleure approche consiste à veiller à ce que les coordonnées de la caméra, les points de contrôle au sol (GCP), les points de contrôle et les résultats du projet soient traités à l’aide de systèmes de référence horizontaux et verticaux correctement définis.

Recommandations finales

Si votre modèle de drone RTK présente un décalage vertical dans Agisoft Metashape, n’en concluez pas immédiatement que le drone RTK, l’étalonnage de la caméra ou le traitement photogrammétrique ont échoué.

Commencez par vérifier si toutes les coordonnées utilisent la même définition de la hauteur.

Veuillez notamment vérifier :

Que les hauteurs des caméras soient ellipsoïdales ou orthométriques
Quel niveau de référence vertical est utilisé par votre point de repère topographique ?
Si le modèle de géoïde approprié est disponible
Validité des métadonnées « AbsoluteAltitude » de DJI
Si le décalage vertical est constant d’un point de contrôle à l’autre
Le projet Metashape utilise-t-il le système de coordonnées approprié ?

Dans le cadre des processus de levés topographiques professionnels, la gestion correcte du système de référence vertical revêt une importance tout aussi grande que l’obtention d’un FIX RTK pendant le vol.

Une fois que l’ellipsoïde, le géoïde et le référentiel vertical ont été correctement compris et configurés, Agisoft Metashape Professional peut combiner les coordonnées des caméras RTK, les points de contrôle au sol (GCP), les points de contrôle et les référentiels verticaux configurables afin de produire des résultats photogrammétriques géoréférencés avec précision.

Foire aux questions

Pourquoi mon modèle Metashape présente-t-il un décalage de plusieurs mètres vers le haut ou vers le bas ?

Un décalage vertical systématique peut être dû à l’utilisation de hauteurs de caméra ellipsoïdales associées à des hauteurs de levé orthométriques, à un référentiel vertical incorrect, à l’absence de modèle de géoïde ou à des métadonnées d’altitude erronées.

Quelle est la différence entre l’altitude ellipsoïdale et l’altitude orthométrique ?

La hauteur ellipsoïdale est mesurée par rapport à un ellipsoïde mathématique utilisé par les systèmes GNSS. La hauteur orthométrique est mesurée par rapport à un repère vertical gravimétrique associé au géoïde et est couramment utilisée pour exprimer l’altitude au-dessus du niveau moyen de la mer.

Le RTK fournit-il l’altitude au-dessus du niveau de la mer ?

Pas automatiquement. Le positionnement GNSS fournit, par nature, des coordonnées référencées par rapport à un ellipsoïde. Un modèle de géoïde et un système de référence de coordonnées verticales sont nécessaires pour convertir ces valeurs en un système de hauteur orthométrique.

Agisoft Metashape peut-il utiliser des modèles de géoïde ?

Oui. Metashape Professional prend en charge les repères verticaux configurables basés sur des grilles d’ondulation du géoïde et des systèmes de coordonnées composés.

Pourquoi mes coordonnées horizontales RTK sont-elles précises, mais mon altitude est-elle erronée ?

Si la précision horizontale est bonne mais que l’ensemble du projet présente un décalage vertical similaire, vérifiez le référentiel vertical, la définition de la hauteur par rapport à l’ellipsoïde ou au géoïde, ainsi que les métadonnées relatives à l’altitude du drone avant de modifier les paramètres de traitement photogrammétrique.

Qu’est-ce que l’altitude relative DJI ?

L’altitude relative correspond à la hauteur de l’aéronef par rapport à son point de décollage. Il ne faut pas la confondre avec une altitude ellipsoïdale ou orthométrique absolue.