Création de MNT et de DSM raster à partir de vastes collections de points lidar

Les modèles d'altitude raster ou maillés constituent l'un des types de données SIG les plus courants. Ils permettent de nombreuses utilisations dans le cadre de l'analyse et sont faciles à partager. Le lidar vous fournit la possibilité de produire des modèles d'altitude de qualité, sous forme de deux types distincts : premières données de retour et sol. Une surface de premières données de retour comprend le couvert forestier et les bâtiments et est souvent nommée modèle de surface numérique (DSM). Le sol, ou la terre nue, contient uniquement la topographie et est souvent appelé modèle numérique de terrain (MNT).

Ces graphiques affichent des représentations ombrées d'une première surface de retour, ou DSM, sur la gauche et un modèle de terre nue, ou MNT, à droite.

Déterminer ce que vous devez créer

Avant de commencer à créer un raster à partir du lidar, vous devez évaluer certains facteurs de base :

• étendue de couverture du lidar,
• nombre et densité des points lidar,
• résolution du raster en sortie souhaitée,
• étendue du ou des raster(s) en sortie,
• format du ou des raster(s) en sortie.

La considération de ces facteurs aide à déterminer si vous produisez un raster ou un ensemble de rasters. Une partie de ce processus nécessite de déterminer le nombre de lignes et de colonnes que vous êtes disposé à avoir dans un raster. Cela dépend de la finalité du raster en termes d'analyse, d'affichage et de partage ou de distribution potentiels des données. Le souhait d'utiliser un jeu de données pour l'analyse peut être en conflit avec les contraintes pratiques associées à la taille du jeu de données. Le volume de données lidar dont vous disposez est un autre élément à considérer. La tentative de traiter 10 milliards de points lidar en tant que jeu de données, bien que possible, peut s'avérer ingérable. Dans cette situation, il est conseillé de produire plusieurs raster à partir de ce volume de données lidar, envisagez par conséquent de diviser également le traitement lidar. Non seulement vous limitez ainsi les jeux de données individuels à des tailles raisonnables, vous réduisez également la durée de traitement sur ces jeux de données. Plus un traitement est long à exécuter, plus il risque de présenter des problèmes (par exemple une panne d'alimentation).

Si vous avez déterminé que vous devez diviser vos données, la prochaine question qui se pose est comment ? Doit-elle être basée sur un système de grille régulière, des frontières politiques ou une application anticipée ? Puisque les ensembles lidar ont tendance à présenter plusieurs utilisations, leur division selon un système de grille régulière ou des divisions politiques telles que des limites de comté semble la plus logique. Un ingénieur peut créer une mosaïque à partir des différents morceaux dont il a besoin pour un projet individuel. Si l'utilisation projetée est plutôt réservée à un type d'application, telle que l'hydrologie, utilisez des divisions logiques pour l'application. Par exemple, dans le cas de l'hydrologie, les limites des bassins versants sont un bon candidat.

ArcGIS prend en charge de nombreux formats raster, vous avez donc le choix du format à écrire. Il est conseillé de baser cette décision sur l'utilisation prévue du produit. Si le produit doit être partagé avec le grand public, il est conseillé de le distribuer au format TIFF ou JPEG. Pour l'analyse à l'aide de la plate-forme ArcGIS, envisagez d'utiliser le format de géodatabase basé sur fichier.

Une fois que vous savez ce que vous souhaitez produire, il vous faut décider comment procéder. La décision clé est le type de données par l'intermédiaire duquel les DEM ou DSM seront créés.

Mosaïque, jeu de données LAS ou jeu de données de MNT

ArcGIS offre trois types de données capables de traiter des données lidar basées sur les points. Voici quelques indications qui vous aideront à choisir lequel utiliser :

• La mosaïque est le moyen le plus pratique de traiter des données LAS comme un raster. Si une vue raster de points lidar est tout ce dont vous avez besoin et qu'aucune ligne de fracture n'a besoin d'être intégrée au processus de rasterisation, une mosaïque est probablement la méthode la plus adaptée.
• Le jeu de données LAS peut créer des rasters directement à partir de fichiers LAS et inclure l'influence des lignes de fracture dans le processus. Si vous avez des lignes de fracture en plus de vos données lidar, mais n'avez pas besoin des outils de gestion des données avancés offerts par la géodatabase, le jeu de données LAS est recommandé.
• Le jeu de données de MNT est une solution orientée vers la géodatabase. Avec les jeux de données de MNT, vous ne chargez que ce dont vous avez besoin à partir des fichiers LAS (par exemple, la terre nue x,y,z pour les points) dans une géodatabase. Les fichiers LAS peuvent ensuite être archivés hors connexion. Vous pouvez également ajouter des lignes de fracture et créer un jeu de données de MNT dont les DEM/DSM découlent. Un jeu de données de MNT est recommandé si vous n'avez pas besoin d'utiliser directement des fichiers LAS, si vous avez des lignes de fracture, si vous avez besoin d'une mise à jour ou d'un versionnement multi-utilisateurs (requiert SDE) ou si vous avez besoin d'une option de filtrage des points basée sur la tolérance z. De plus, les jeux de données de MNT peuvent être utilisés si vos données ponctuelles lidar sont au format ASCII. Les mosaïques et les jeux de données LAS ne prennent en charge que le format LAS.

Utilisation de la mosaïque

La mosaïque est un moyen pratique d'obtenir des DEM et des DSM à partir de données ponctuelles au format LAS. Utilisez les outils Créer une mosaïque et Ajouter des rasters à la mosaïque pour définir une mosaïque et ajouter des fichiers LAS (ou des dossiers de fichiers LAS) comme s'il s'agissait de rasters. Définissez les propriétés du type LAS vers raster de la mosaïque pour se concentrer sur les premiers points de retour ou ceux classés comme terre nue.

Une fois la mosaïque définie, elle peut être visualisée sous forme de couche sur la carte, utilisée en entrée dans des outils de géotraitement d'analyse des surfaces basés sur les rasters et utilisée dans un service d'imagerie.

Utilisation du jeu de données LAS

Un jeu de données LAS référence simplement un ensemble de fichiers LAS et les classes d'entités facultatives qui définissent les caractéristiques de surface, telles que les lignes de fracture. Les jeux de données LAS sont stockés sous forme de fichiers à l'aide de l'extension *.lasd. Utilisez l'outil de géotraitement Créer un jeu de données LAS pour définir le jeu de données LAS, puis réalisez une couche à partir de ce jeu de données en l'ajoutant à une carte. Définissez des filtres de points sous l'onglet Filtre de la boîte de dialogue Propriétés de la couche du jeu de données LAS. Les propriétés de filtrage sont importantes, car elles déterminent les points des fichiers LAS à traiter. Les DEM et les DSM ne sont pas créés à partir de tous les points. Vous devez utiliser un filtre.

Utilisez la couche, avec les propriétés de filtrage appropriées définies, en entrée dans l'outil Jeu de données LAS vers raster. La rasterisation de cet outil s'effectue principalement par une classification par fenêtres rapide des points. Comme les données lidar sont très denses par rapport à d'autres techniques d'échantillonnage, de nombreuses personnes pensent que la classification par fenêtres est suffisante et que d'autres méthodes d'interpolation plus longues sont inutiles. Ceci est probablement vrai, en particulier avec les premiers retours où l'échantillonnage est relativement homogène. La densité de l'échantillonnage de la terre nue varie selon la fréquence et la densité des entités à la surface du sol (par exemple, la végétation et les bâtiments). Cet outil permet le remplissage et l'interpolation des vides (cellules pour lesquelles il n'existe aucun échantillonnage), mais s'ils sont trop nombreux, le jeu de données de MNT permet d'obtenir de meilleurs résultats.

Le type d'affectation des cellules AVERAGE est mieux adapté aux points de terre nue lors de la génération d'un DEM. L'option MAXIMUM convient mieux pour influencer le résultat sur des altitudes supérieures lors de la génération d'un DSM.

Utilisation du jeu de données de MNT

La première étape de l'utilisation d'un MNT consiste à charger les points lidar dans une géodatabase. Pour charger vos points lidar dans une classe d'entités multi-points, utilisez l'outil de géotraitement LAS vers multi-points ou ASCII 3D vers classe d'entités, selon le format de données source des données lidar. Placez la classe d'entités multi-points dans un jeu de données d'entité si vous projetez de créer un jeu de données de MNT à partir des points lidar. Bien que vous ayez le choix entre l'utilisation des formats de fichier LAS ou ASCII, le format LAS est un format de fichier binaire plus acceptable. Les fichiers LAS contiennent plus d'informations et peuvent être lus plus efficacement par l'outil d'importation en raison de leur structure binaire. Pour plus d'informations sur l'importation de mesures source lidar dans la géodatabase, reportez-vous à la rubrique Outils de chargement et d'importation de données pour les jeux de données de MNT.

Si vous produisez à la fois une surface de terre nue et de premières données de retour à l'aide de jeux de données de MNT, chargez les points lidar dans deux classes d'entités multi-points différentes, une classe d'entités pour les points au sol et une classe d'entités pour les points au-dessus de la surface. Le MNT de terre nue est défini avec une référence aux points au sol uniquement. Le jeu de données de MNT de premières données de retour référence la même classe d'entités ponctuelles au sol que le MNT de terre nue, avec une référence supplémentaire aux points au-dessus de la surface. Cela signifie que deux jeux de données de MNT différents peuvent référencer une même classe d'entités.

Les jeux de données de MNT peuvent être mis en pyramide à l'aide de l'un de deux filtres d'affinage des points : tolérance Z et taille de fenêtre. Pour la production de MNT, vous pouvez utiliser ces deux types de pyramide. Si vous souhaitez effectuer un tramage à partir de l'ensemble de points de résolution maximale, utilisez le filtre de taille de fenêtre pour la construction du MNT, car il est considérablement plus rapide. Si vous êtes prêt à utiliser des données affinées pour l'analyse, ce qui est raisonnable si les données lidar sont suréchantillonnées pour vos besoins, utilisez le filtre de tolérance Z. Bien que ce filtre soit plus lent que le filtre de taille de fenêtre pour créer la pyramide de MNT, son utilisation est très adaptée car il fournit une évaluation de la précision verticale de la représentation affinée. Pour la production de DSM, utilisez le filtre de taille de fenêtre avec l'option MAX.

Utilisez l'outil MNT vers raster pour produire votre modèle d'altitude rasterisé. Cet outil propose des options pour l'interpolation, la taille de cellule en sortie et les niveaux de pyramide à utiliser à partir du jeu de données de MNT.

Pour l'interpolation, l'option de voisins naturels est la meilleure. Bien qu'elle ne soit pas aussi rapide que l'interpolation linéaire, elle produit généralement de meilleurs résultats à la fois en termes d'esthétique et de précision. Définissez la taille de cellule en sortie en fonction de la densité d'échantillonnage des points lidar. Vous ne gagnerez pas en précision avec une taille de cellule substantiellement inférieure à l'espacement moyen des points. Par ailleurs, assurez-vous de configurer l'étendue d'analyse, telle que définie dans les environnements, pour l'extraction de sous-ensembles le cas échéant. L'utilisation d'un raster de capture peut être également utile pour des raisons d'alignement des sorties raster.

La procédure générale de génération d'une surface de MNT raster à partir de données ponctuelles lidar dans ArcGIS est décrite ci-dessous.

En premier lieu, vous créez un jeu de données de MNT dans ArcCatalog ou dans la fenêtre Catalogue de votre application, puis vous utilisez des outils de géotraitement pour convertir ce jeu de données de MNT en MNT raster.

1. Créez un jeu de données de MNT.

Etapes :

1. Déterminez les données source et la manière dont elles contribuent au jeu de données de MNT.

   Pour plus d'informations sur la représentation de données source de MNT, reportez-vous aux rubriques Représentation de données source de MNT dans des classes d'entités et Types de données source pris en charge dans les jeux de données de MNT.

   Remarque :

   Toutes les données source doivent avoir la même référence spatiale pour créer un jeu de données de MNT.

2. Créez une géodatabase fichier dans ArcCatalog ou dans la fenêtre Catalogue. Cliquez avec le bouton droit de la souris sur le dossier dans lequel vous voulez créer le MNT, pointez sur Nouveau, puis cliquez sur Géodatabase fichier dans le menu contextuel.
3. Créez un jeu de données d'entité. Cliquez avec le bouton droit de la souris sur la géodatabase fichier, pointez sur Nouveau, puis cliquez sur Jeu de données d'entité dans le menu contextuel.

   Pour plus d'informations sur la procédure correcte de génération d'un jeu de données d'entité, reportez-vous à la rubrique Création d'un jeu de données d'entité.

4. Importez les mesures source dans des classes d'entités. Ces classes d'entités doivent être produites à l'intérieur du jeu de données d'entité créé à l'étape 3. Pour plus d'informations sur l'importation de données source pour un MNT, reportez-vous à la rubrique Importation des mesures source du jeu de données de MNT.
5. Construisez un jeu de données de MNT dans ArcCatalog ou dans la fenêtre Catalogue à l'aide de l'assistant Nouveau MNT.

   Pour accéder à l'assistant Nouveau MNT, cliquez avec le bouton droit de la souris sur le jeu de données d'entité pour afficher le menu, pointez sur Nouveau, puis cliquez sur MNT.

   Pour plus d'informations sur l'utilisation de l'assistant Nouveau MNT, reportez-vous à la rubrique Création d'un jeu de données de MNT à l'aide de l'Assistant MNT.

2. Utilisez l'outil de géotraitement MNT vers raster.

Etapes :

1. Dans les outils 3D Analyst, développez le jeu d'outils Conversion, puis le jeu d'outils Depuis un MNT. Double-cliquez sur l'outil MNT vers raster pour l'ouvrir.
2. Cliquez sur le bouton Parcourir du MNT en entrée pour ajouter le jeu de données de MNT.
3. Cliquez sur le bouton Parcourir du Raster en sortie pour spécifier l'emplacement de création du jeu de données raster.
4. Définissez le paramètre facultatif Type de données en sortie soit sur virgule flottante 32 bits, soit sur entier 32 bits. Virgule flottante est la valeur par défaut.
5. Définissez la méthode d'interpolation sur LINEAR ou NATURAL_NEIGHBORS.

   Ces méthodes d'interpolation basées sur des TIN sont appliquées sur toute la surface du MNT triangulée. L'option Linéaire recherche le triangle englobant le centre de chaque cellule et applique une moyenne pondérée des nœuds du triangle pour interpoler une valeur. L'option NATURAL_NEIGHBORS utilise les voisins de Voronoi des centres des cellules.

   Envisagez la méthode par voisins naturels pour interpoler une surface de MNT. L'interpolation par voisins naturels prend plus de temps, mais la surface générée est beaucoup plus lisse que celle produite à l'aide d'une interpolation linéaire. Elle est également moins sujette à de petits changements de triangulation.

6. Définissez la Distance d'échantillonnage sur Observations ou CELLSIZE, ce qui contrôle la résolution horizontale du raster. Indiquez la valeur en regard de l'option une fois que vous avez sélectionné la méthode de votre choix.

   La méthode OBSERVATIONS calcule la taille de cellule en fonction de la valeur définie que ce nombre représente et au nombre de cellules souhaitées sur le plus long tronçon de la surface raster. Vous pouvez définir de manière explicite la taille de cellule à l'aide de l'option CELLSIZE.

7. Définissez la résolution à utiliser. Le paramètre de résolution indique le niveau de pyramide du jeu de données de MNT à utiliser pour la conversion. Pour produire un jeu de données raster en sortie en résolution maximale, définissez ce paramètre sur 0. Les niveaux de pyramide sont définis à l'aide de la tolérance Z ou de la taille de fenêtre, qui représente la résolution approximative du jeu de données de MNT par rapport aux données de résolution maximale.
8. Pensez à utiliser les paramètres d'environnement pour contrôler explicitement les étendues du MNT à générer. Pour extraire un sous-ensemble du MNT, cliquez sur le bouton Environnements au bas de la boîte de dialogue de l'outil de géotraitement. Cliquez sur l'onglet Paramètres généraux et définissez l'étendue du MNT en sortie.

A l'aide des mosaïques, des jeux de données LAS ou des jeux de données de MNT, vous pouvez traiter des centaines de millions, ou même des milliards de points lidar en MNT et DSM maillés à haute résolution. Ces modèles de surface peuvent ensuite être utilisés avec la large gamme d'outils raster disponibles dans ArcGIS pour l'analyse. Ils sont également parfaits pour réaliser des cartes (reportez-vous au graphique ci-dessous) et faciles à partager en raison de leur structure de données simple.