MINISTERE DE LA JEUNESSE, DE L’EDUCATION NATIONALE

ET DE LA RECHERCHE

 

ECOLE PRATIQUE DES HAUTES ETUDES

 

Sciences de la Vie et de la Terre

 

 

MEMOIRE

présenté par

 

Roland GRAILLE

 

 

Pour l’obtention du diplôme de l’Ecole Pratique des Hautes Etudes

 

 

 

Mise au point et utilisation des techniques photogrammétriques pour la mesure d’organismes marins benthiques dans leur milieu

 

soutenu le 11 décembre 2007 devant le jury suivant :

 

    M. Jacques MICHAUX - Président

    M. Denis ALLEMAND - Examinateur

    M. Michel PICHON – Examinateur

    M. Jean-Georges HARMELIN – Examinateur

    M. Stéphan JACQUET - Examinateur

 

Laboratoire E.P.H.E. des Ecosystemes aquatiques tropicaux et méditerranéens,

(Sciences de la Vie et de la Terre) Perpignan

Directeur : M. René Galzin

 

Responsable scientifique : M.Michel PICHON,  pichon@univ-perp.fr

Etudiant : Roland GRAILLE,  roland.graille@univmed.fr

 

 

 

 

 

 

 

ECOLE PRATIQUE DES HAUTES ETUDES

SCIENCE DE LA VIE ET DE LA TERRE

 

Mise au point et utilisation des techniques photogrammétriques

 pour la mesure d’organismes marins benthiques dans leur milieu

 

Roland GRAILLE

 

 

Résumé

 

Cette étude décrit la mise au point et l’utilisation des techniques photogrammétriques pour la mesure d’organismes marins benthiques dans leur milieu. Elle représente une nouvelle approche de mesure basée sur l’analyse de photos en 3D. Le modèle biologique choisi pour la validation et la mise en application de la méthode est le corail rouge de Méditerranée Corallium rubrum (Linné, 1758). La mise au point repose sur plusieurs étapes de réglages de matériel photographique numérique et de validation de la méthode. Les différentes mesures effectuées  par la méthode de photogrammétrie sont comparées avec les méthodes classiques (réglet, pied à coulisse) sur des objets confectionnés ainsi que sur le modèle biologique à la structure branchiale complexe. Les analyses comparées des mesures tiennent compte également du biais dû aux différents observateurs que ce soit par la méthode de photogrammétrie ou traditionnelle mais également en fonction des milieux : à terre ou sous l’eau.

Les résultats obtenus par cette nouvelle approche sont très proches des valeurs de références. Nous obtenons sur les objets confectionnés un pourcentage de variation ne dépassant pas 1% dans la majorité des mesures pour l’ensemble des observateurs. Les résultats sur le modèle biologique donnent des écarts plus importants, de l’ordre de 10%, mais sont plus fiables que les mêmes mesures effectuées in situ avec les méthodes classiques. La méthode de photogrammétrie se trouve de plus beaucoup mieux adaptée dans les zones profondes où le temps d’observation est limité. Les résultats dans la répétabilité des mesures autant sur les produits confectionnés que sur le modèle biologique sont très fiables avec des écarts très faibles.

Les applications de la technique sur l’évaluation d’un taux de croissance ou sur la structure d’une population donnent des résultats très proches de ceux connus dans la littérature. La photogrammétrie appliquée à la mesure d’organismes benthiques donne certaines possibilités qu’à ce jour les méthodes classiques ne pouvaient offrir : suivi in situ de populations avec colonie individualisée et identifiée.

Cette technique peut par la quantité d’informations recueillies (nombres de photos) apporter de nombreuses données. Il est pour cela essentiel d’avoir une rigueur dans la gestion et l’organisation des fichiers ainsi que d’améliorer la routine dans le traitement logiciel des images.

 

Mots clés : Benthique ; Corail rouge ; Croissance ; Mesure ; Photogrammétrie 

 

 

SOMMAIRE

 

 

 

1- Introduction et problématique                                                  

1.1  Objectif de l’étude                                                                   p2

1.2      La photogrammétrie                                                                                          p5

1.2.1    La photogrammétrie sous-marine                                         p10

1.2.2    Avantages de la photogrammétrie sous-marine                     p11

1.2.3    Inconvénients de la photogrammétrie sous-marine                  p12

            

2- Elaboration des protocoles d’utilisation et de validation           p11

2.1 Matériel                                                                                        p11

       2.1.1 Le corail rouge : un modèle d’application                               p11

                   2.1.1.1 L’intérêt économique et patrimonial                             p13

              2.1.1.2 Les études faites et en cours                                         p14

              2.1.1.3 La structure tridimensionnelle de l’organisme                  p16

              2.1.1.4 Le couple variables-modèle                                             p16

              2.1.1.5 L’accessibilité des sites d’étude                                    p16

              2.1.2 Matériel nécessaire pour l’application photogrammétrique     p17

   2.1.2.1 L’équipement photographique numérique                         p17

   2.1.2.2 L’équipement informatique                                             p19

   2.1.2.3 La calibration                                                            p19

   2.1.2.4 Les repères et les cibles                                               p20

2.2 Méthode                                                                                       p21

2.2.1 L’acquisition d’images                                                      p21

2.2.2 L’archivage et l’organisation des fichiers                                p23

           2.2.3 Le protocole du traitement avec le logiciel Arpenteur           p24

               2.2.3.1 La création d’un modèle                                                 p24

              2.2.3.2 L’orientation relative                                                  p24

              2.2.3.3 L’orientation absolue                                                  p24

              2.2.3.4 La vérification                                                               p25

              2.2.3.5 Les mesures                                                                  p26

 

3- Les résultats et la validation de la technique de photogrammétrie   

    3.1 Etude comparée entre les différentes techniques de mesures                p26

           3.1.1 Les mesures comparées sur des objets manufacturés                 p27

           3.1.2 Les mesures comparées sur le modèle biologique                     p33

         3.2 La fidélité dans la répétabilité                                                  p46

              3.2.1 La dispersion                                                                                              p46

             3.2.2 La fidélité                                                                                               p49

 

4- Les applications sur le modèle biologique                               

    4.1 Le taux de croissance des colonies d’un peuplement                           p50

    4.2 La structure de taille des colonies d’un peuplement                            p54   4.3 Effets des aires protégées sur les populations de corail rouge               p59

    4.4 Etude de récupération des colonies après perturbations                       p61

           4.4.1 Filaire et évaluation des nécroses                                        p61

       4.42 Analyse de colonies coraillées                                                    p63

 

5-    Conclusion                                                                                    p64  

6- Perspectives                                                                                  p66

 

7- Lexique                                                                                            p70

 

8- Bibliographie                                                                                 p71

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.   Introduction et problématique

 

1.1  Objectif de l’étude

"Si vous pouvez mesurer ce dont vous parlez, et l'exprimer par un nombre, alors vous connaissez quelque chose de votre sujet. Si vous ne le pouvez, votre connaissance est d'une bien pauvre espèce et bien incertaine"(Lord Kelvin 1824-1907).

La métrologie est l'ensemble des techniques et des savoir-faires qui permettent d'effectuer des mesures et d'avoir une confiance suffisante dans leurs résultats. La mesure est souvent nécessaire à toute connaissance, à toute prise de décision et à toute action. La logique de toute recherche scientifique est une série d’actions que l’on peut résumer par la succession des verbes suivants: observer - mesurer, comprendre - prévoir,  agir - mesurer - vérifier.

La mesure dans ce cycle est indispensable pour la recherche : elle vise à étudier, comprendre puis à modéliser les phénomènes, et doit quantifier des grandeurs dans des unités connues et définies, afin de quantifier leurs relations et leurs interactions, et reproduire des phénomènes.

Mesurer peut être une opération qui consiste à attribuer des valeurs numériques à des variables. Ces variables peuvent être en effet qualitatives (types de colonies d’une population ou présence-absence de nécrose ou de recrutement) ou quantitatives (taille, croissance). Une mesure est déterminée par sa précision, qui dépend de sa justesse (les valeurs obtenues ne sont pas systématiquement surestimées ou sous-estimées) et sa fidélité ou fiabilité (la multiplication des mesures dans des conditions semblables doit fournir des résultats identiques à l’incertitude de mesure de l’outil choisi). L’ensemble de cette étude consacrée à la validation de la technique photogrammétrique appliquée à certains peuplements benthiques repose sur ces deux paramètres.

Cette validation a pour objectif de démontrer que la photogrammétrie est un outil de mesure fiable, dans certaines conditions bien définies et que cette méthode est souple, adaptée et très proche de l’outil de référence.

Une population donnée d’organismes marins se caractérise par sa taille, sa morphologie, le nombre d’individus, la position de chacun de ses membres dans l’espace etc. La mesure de ces paramètres est essentielle pour étudier par exemple leur évolution dans le temps à travers le taux de croissance. Les connaissances acquises sur ces populations peuvent permettre d’améliorer la gestion et la conservation des espèces et des habitats sous-marins. Actuellement les études quantitatives des organismes marins benthiques sont essentiellement exprimés en pourcentage de recouvrement où seules les surfaces en projection, image bi-dimentionnelle, sur le substrat sont exploitées. Or, la majorité de ces organismes se développe en trois dimensions dans l’espace (3-D) (Garrabou et Zabala, 2001).

L’acquisition de mesures précises en 3-D est essentielle pour l’étude des espèces benthiques. Aujourd'hui, dans le milieu marin, cela nécessite la manipulation de nombreux outils (règles, pied à coulisse, gabarits, crayons, planches, calques) dont l’utilisation reste difficile et limitée dans des zones d’accès manquant de lumière ou de visibilité, telles que grottes et zones profondes. De plus, les méthodes d’analyse utilisant ces outils sont invasives car nécessitant un contact avec l’organisme mesuré. Enfin, certaines espèces se situent dans des zones de profondeurs importantes, facteur limitatif sur le temps de travail et sur la fiabilité des mesures due à une diminution de lucidité (effet narcotique sur les plongeurs).

Il apparaît donc très clairement que les méthodes actuelles sont fastidieuses et ne permettent pas d’évaluer in situ avec précision la structure des organismes en trois dimensions, la disposition spatiale des individus entre eux et d’assurer le suivi sur le long terme.

La recherche d’une solution adaptée pour la mesure de ces organismes a été motivée par la connaissance de l’existence d’une technique de mesure sans contact : la photogrammétrie,  pouvant être testée et validée sur un modèle biologique étudié au Centre d’Océanologie de Marseille (C.O.M.): le corail rouge de Méditerranée, Corallium rubrum (Linné, 1758).

Mon travail a eu pour objectif, de mettre au point une technique de photogrammétrie légère dédiée à l’étude des communautés benthiques marines sur le long terme,  permettant de dénombrer, mesurer et positionner in situ les organismes marins fixés.

Les moyens qui ont été utilisés pour élaborer et mettre au point cette technique proviennent de divers horizons:

-   La photogrammétrie développée par le Centre National de Recherche Scientifique (C.N.R.S.) dans l’Unité Mixte de Recherche 6168 (U.M.R.) au sein du Laboratoire des Sciences de l’Information et des Systèmes (L.S.I.S.). Cette équipe travaille sur les mesures optiques dans le projet Arpenteur dirigé par Pierre Drap à l’Ecole Supérieure d’Ingénieur de Luminy (E.S.I.L.).

-   L’espèce Corallium rubrum étudiée depuis de nombreuses années par l’U.M.R. 6540 : Diversité biologique et Fonctionnement des Ecosystèmes Marins Côtiers (D.I.M.A.R.) dirigée par Jean-Pierre Féral du Centre d’Océanologie de Marseille (C.O.M.).

-   La photographie sous-marine développée et utilisée dans l’Unité Mixte de Service (U.M.S.) 2196 du C.O.M., plus particulièrement par le service plongée comme moyen de mémoire ou d’archive. La photographie permet actuellement dans ces conditions de fixer une image à un moment précis d’un organisme permettant l’illustration dans un document ou en support d’une identification.

 

1.2   La photogrammétrie

L’American Society of Photogrammetry (1980) a donné une définition générale de cette technique: “La photogrammétrie est la science ou la technique permettant d’obtenir des informations fiables sur l’espace naturel ou des objets physiques par l’enregistrement, la mesure et l’interprétation d’images photographiques ou produites par rayonnement électromagnétiques ou autres phénomènes ».

Les éléments de ce chapitre sont tirés en partie d’un document rédigé lors de la rencontre des doctorants des écoles d’architecture du sud de la France (Drap, 1997).

Le terme « Photogrammétrie » est dû à l’architecte allemand Albrecht Meydenbauer (1893) qui assembla les mots grecs « photo » (lumière), « gramma » (quelque chose d’écrit ou de dessiné), et « metron » (mesure) pour désigner la technique qui lui permettait de poursuivre ses relevés de monuments (Albertz, 2001).

La photographie ne donne qu’une image plane d’un objet à trois dimensions. Avant d’étudier le processus général de la stéréo-photogrammétrie, regardons comment fonctionne la stéréoscopie physiologique où l’impression de profondeur apparaît grâce à la vision binoculaire.

Nous percevons les objets « tels qu’ils sont », simples devant nous, et cependant nous en percevons deux images distinctes (chacun de nos deux yeux nous en fournit une). Pourquoi, dans ces conditions, ne pas voir les objets doubles ?

La vision stéréoscopique est connue depuis le début du 17ème siècle. Huygens (1629-1695) écrivait à ce sujet : « La nature a pourvu d’une manière bien particulière à ce que nos yeux ne fissent pas paraître l’objet double? C’est qu’elle a fait que chaque point du fond de l’oeil a son correspondant dans le fond de l’autre, en sorte que lorsqu’un point de l’objet est peint dans quelques deux de ces points correspondants, alors il ne parait que simple comme il est. »

En fait, nos deux yeux fournissent à notre cerveau deux images non superposables, du fait de l’écartement inter-pupillaire, mais dans la plupart des cas, quand notre cerveau fonctionne correctement, il nous restitue une seule image : celle de notre oeil directeur.

Une seule image, certes mais avec une valeur ajoutée : le sentiment de profondeur de la scène observée. Ce sentiment de profondeur est à différencier de l’analyse rationnelle de la scène, qui fournit elle aussi des renseignements sur la profondeur : étude des parties cachées, connaissance a priori de la taille des objets observés, comparaison de leurs diamètres apparents, etc. Ce sentiment est une sensation personnelle du relief : l’acuité stéréoscopique n’est pas directement liée à l’acuité visuelle, elle est une caractéristique de l’individu, une traduction de l’effort de superposition de deux images non superposables (Drap, 1997).

Le principe de base est la vision stéréoscopique. La vision est possible avec les deux images différentes des objets qui se forment sur la rétine de chacun de nos yeux. Traités en temps réel grâce au réflexe oculaire de convergence-accommodation, les points homologues qui correspondent aux mêmes objets sont associés par le cerveau.   L’objet AB est vu différemment par l’œil gauche et par l’œil droit ou plutôt sous des angles distincts et la différence de ces deux images rétiniennes donne une perception de profondeur.

De la même façon, lorsqu’un observateur examine avec ses deux yeux un objet A, deux images «ressemblantes » a1 et a2 se forment en deux points différents des deux rétines. Le cerveau de l’observateur fusionne ces images et ne fournit à la conscience qu’une seule image.

Plaçons un deuxième objet B entre l’observateur et l’objet A, assez éloigné de celui-ci. L’observateur continuant de fixer A voit une image double de l’objet B.

Si B se rapproche de A, son image est de moins en moins dédoublée, et arrivé à une petite distance de A, ce dédoublement disparaît, c’est-à-dire que le cerveau est alors capable de  fusionner simultanément les deux images de A et B’. Dans cette zone autour de A, le cerveau interprète les dissemblances entre les images, et les traduit en différence d’éloignement.

L’observateur perçoit avec une grande sensibilité les différences d’éloignement des objets qui se trouvent dans la zone d’observation stéréoscopique.

Il faut noter que la perception de profondeur apparaît en comparant les visions d’une même scène depuis deux points de vue différents. Le résultat, la synthèse de ces deux points de vue, l’observation simultanée de ces deux images planes nous offre une nouvelle dimension qui n’existait dans aucune des deux images et nous permet de reconstituer un modèle de l’espace en 3-D que nous observons.

En stéréoscopie, deux visions proches mais non équivalentes sont fusionnées et un sens nouveau naît. Cette nouvelle perception est d'autant plus importante que les visions sont dissemblables tout en étant maintenues fusionnées.

Le système de prise d’information pour la photogrammétrie est le même que celui utilisé par la vision stéréoscopique humaine. La photogrammétrie va permettre de reconstituer un modèle tridimensionnel à partir d'un minimum de deux photographies du même sujet faites depuis deux points de vue différents. Ce modèle tridimensionnel possède, moyennant quelques précautions, des qualités métriques, qui vont permettre de classer la photogrammétrie parmi les moyens de mesure 3-D, sans contact, et de grande précision.

La photogrammétrie est aujourd’hui utilisée non seulement par les cartographes et les architectes mais de plus en plus par les industriels et les mécaniciens. Les mesures monodimensionnelles sur plusieurs photographies du même objet, permettent à la photogrammétrie d’avoir une représentation en 3-D.

La photogrammétrie, technique de mesure utilisée en milieu terrestre peut être adaptée en milieu marin.

 

1.2.1 La photogrammétrie sous-marine

 

Dés 1934, le Père Poidebard au cours de ses fouilles sur le port de Tyr en Syrie utilise la photographie comme mémoire. L’archéologie en milieu sous-marin fut la première application de la photogrammétrie. L’utilisation dans le domaine de l’archéologie sous-marine de la photogrammétrie se fera au cours du 20ème siècle sur des épaves comme la Madrague de Giens en 1972 à l’aide d’un restituteur (Chene et Reveillac, 1979) ou celle de Grand Ribaud F en 2000 au moyen du logiciel Arpenteur (Drap, Long et al., 2001).

Au cours des années 1970, la photogrammétrie fut utilisée pour l’étude d’espèces dans le milieu marin, l’enregistrement de couples stéréo-photographiques permettant d’obtenir des résultats sur la couverture spatiale, la variation de densité d’organismes tel que des ascidies  (Lundälv, 1971) avec des moyens non destructifs. Cependant la méthode qui fut alors utilisée demeura lourde, car elle nécessitait  un cadre métallique fixé sur le substrat, destiné à recevoir un appareil photographique (Kennert et Torlegard, 1974 ; Lundälv, 1974).

Plus récemment, certaines approches sur la mesure morphométrique en trois dimensions (colonies de corail massif Diploria strigosa) utilisant la photogrammétrie ont révélé que cette technique permet d’obtenir des mesures fiables et exploitables : de diamètre, de taille, de surface et de volume (Bythell et al., 2001). La méthode appliquée à des espèces de corail massives ou foliacées telles que Diploria strigosa, Diploria labytinthiformis, Porites astreoides, Platygyra daedalea, Acropora palmata, Agaricia agaricites nécessite  une mise en place de structures englobantes autour des organismes pour les différentes étapes d’orientations des photos et des mesures .

Dans l’évolution de cette méthode, la vidéo qui permet une reconstruction en 3-D de formes massives a été utilisée dans le cas du bryozoaire Pentapora fascialis et sur le corail Cladocora caespitosa (Cocito et al., 2003).

Le choix du sujet d’étude pour la validation de la technique photogrammétrique et faisant l’objet de ce mémoire a porté sur un sujet branchu, Corallium rubrum, dans des conditions souvent difficiles (cavité obscure, profondeur, position en plafond).

 

1.2.2 Les avantages de la photogrammétrie sous-marine

 

· La photographie donne de l’objet une représentation complète (à l’exception des parties cachées), sans possibilité d’omission humaine ; la quantité d’informations enregistrées est énorme, bien souvent supérieure à celle nécessaire dans l’instant.

· Elle fournit un document aisément maniable, d’une grande fiabilité dans le temps moyennant quelques précautions et qui sera disponible facilement à tout moment (ce qui n’est pas toujours le cas du sujet lui-même) pour des mesures complémentaires. Elle offre donc des possibilités d’archivage et de mémoire exceptionnelles.

· La répétitivité des mesures ou la prise de mesures auxquelles les observateurs n’auraient pas pensé est aussi un avantage de cette méthode.

· Le temps de travail sous l’eau est réduit et remplacé par du temps « machine » de traitement informatique des photos.

· Les photos prisent sur plusieurs années d’une même population permettent un suivi dans le temps : une quatrième dimension est possible.

 

1.2.3 Les inconvénients de la photogrammétrie sous-marine

 

· Les parties cachées ou non visibles sur les photos ne sont pas mesurables.

· La photogrammétrie est une mesure indirecte : elle est le résultat de la mesure sur plusieurs clichés et de calculs relativement lourds qui nécessitent des moyens informatiques importants.

· La photogrammétrie exclut pour l’instant des résultats en temps réel. Ceux-ci sont soumis aux disponibilités de traitement.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bibliographie

 

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