Le relief par satellite, c’est louche ! Manhattan en 3D avec Pléiades

A New York, une pléiade de gratte-ciel en 3D vue par le satellite Pléiades

Après l’image de la région de Grenade en relief publiée par le CNES le 11 février, vous n’allez pas regretter d’avoir investi dans vos lunettes à verres colorés : voici une superbe représentation 3D de l’île de Manhattan à New York. Si vous aimez l’architecture du cœur des villes américaines, vous allez voir New York d’une manière assez inhabituelle.

A New York, la partie sud de Manhattan, représentée sous forme d’anaglyphe. Couple d’images
acquises par le satellite Pléiades en janvier 2012. La résolution est réduite par rapport à celle
de l’image d’origine. Copyright CNES 2012

Comment obtient-on une telle image ? L’agilité du satellite Pléiades a permis de prendre une série d’images très obliques (angle de 45° environ). Représentées sous forme d’anaglyphe (avec les couleurs rouge et bleue), elles font ressortir le relief des gratte-ciel du cœur économique et culturel de Big Apple. Avec les lunettes, les gratte-ciel semblent véritablement transpercer l’écran.

La grosse pomme en 3D : des gratte-ciel qui grattent l’œil

La première image couvre le sud de Manhattan avec le pont de Brooklyn et le pont de Manhattan, Chinatown et, bien sûr, Ground Zero, l’emplacement des tours jumelles du World Trade Centre (voir un autre article sur les attentats du 11 septembre). J’en ai extrait une partie qui montre le port maritime « Pier 17 », le South Street Seaport, où on distingue très nettement les mâts de grands voiliers (dont le Flying P-Liner Peking) ainsi que d’autres bateaux-musées. Cette image est également publiée sur le blog « La tête en l’air » du CNES.

A gauche, un extrait de l’image du sud de Manhattan centrée sur les voiliers du South Street Seaport.
A droite, un anaglyphe du quartier nord de Manhattan. Images acquises par le satellite Pléiades en
janvier 2012. Cliquer sur les images pour les voir en grand format. Copyright CNES 2012

L’mage de la partie nord de Manhattan montre quelques gratte-ciel célèbres et l’extrémité de Central Park. Les amoureux de New York reconnaîtront au sud le Manhattan Municipal Building, la tour Gehry (une des constructions les plus récentes), le Woolworth Building (une des plus anciennes), le Flat Iron Building (à sa construction en 1902, c' était le plus grand immeuble de tous les temps).

Au nord, le plus haut est l’Empire State Building. Il y a aussi le Chrysler Building, le Rockefeller Center, la Bank of America tower et bien d’autres...

Un quiz pour identifier les gratte-ciel les plus célèbres…

Pour ceux qui ne sont pas encore familiers avec le quartier de Manhattan, voici quelques photographies que m’a passées Nicolas Ruelle, prises non pas à 700 kilomètres d’altitude, mais depuis les toits du Rockefeller Center et de l’Empire State Building. Elles donnent un autre point de vue du quartier. Un petit jeu avant de parler de la technique d’acquisition d’images en stéréovision : identifiez les gratte-ciel les plus connus (postez un petit message avec vos réponses).

Quelques photographies de Manhattan prises depuis une orbite très basse. En haut à gauche, le sud de Manhattan depuis l'Empire State Building. A droite, L'Empire State Building depuis le Rockefeller Center.
En bas à gauche, le Flat Iron Building. A droite, Central Park. Crédit images : Nicolas Ruelle

Avec les anaglyphes, les couleurs prennent du relief

En enlevant les lunettes et en observant attentivement l’anaglyphe, il est possible de comprendre comment fonctionne cette représentation tridimensionnelle : au premier plan, le motif bleu est décalé à gauche du motif rouge. A l’arrière plan, c’est l’inverse et au centre, le décalage est peu perceptible. C’est lié directement à la différence de parallaxe entre chaque pixel des deux images prises par Pléiades au moment où le satellite survolait New York.

Parallaxe mais presque, comme aurait dit Coluche !

Quand l’épipolaire devient populaire chez les people (merci de votre compréhension…)

En très résumé, en observant la lumière réfléchie par une scène, on ne peut pas percevoir le relief d’un objet sans avoir plusieurs points de vue.

C’est de cette manière que fonctionne la vision humaine, avec deux yeux et, entre les deux oreilles, un cerveau… Selon la distance à laquelle nous nous trouvons d’un objet, l’image qui se forme sur chacune de nos deux rétines est différente. Chaque point de la scène est décalé en fonction de sa distance. Plus un objet est éloigné, plus l’écart de parallaxe est faible : à l’horizon, ce ne sont pas nos yeux qui perçoivent le relief mais notre cerveau qui comprend que les arbres sont derrière le champ et la montagne derrière les arbres.

A plus courte distance, la parallaxe augmente : Si l’on regarde son pouce (sans le déplacer) successivement avec l’œil droit, puis avec l’œil gauche, on a l’impression qu’il se déplace devant le fond qui lui, reste immobile. L’illusion provient de ce que le pouce est observé sous deux angles différents par chacun des deux yeux, alors que le fond est trop lointain il semble donc immobile. Attention quand même à ne pas vous mettre le doigt dans l'oeil...

En stéréovision, un paramètre est très important : c’est le rapport B/H, le rapport entre la distance des deux points d’observation (B) et la distance de la scène observée (H).

Comment les satellites font-ils pour mesurer le relief ? Je m’intéresse ici exclusivement aux satellites optiques. Il faudra attendre un autre article pour traiter le cas des satellites Radar et des Lidar (laser).

C’est l’occasion d’un petit retour en arrière sur la famille des satellites Spot, qui ont précédé le satellite Pléiades et de comparer les techniques de vision 3D utilisées.

De Spot 1 à Pléiades, trois points de vue sur les différents points de vue.

J’avais d’abord pensé à « strabisme en famille » mais cela donnait l’impression d’un défaut de vision… En réalité, c'est une performance remarquable des satellites du CNES.

La stéréovision, une technique photographie pour déterminer forme et distance des objets, est une technique assez ancienne. A Toulouse, Eugène Trutat l’a abondamment utilisée (voir l’article De Spot 1 à Pléiades : 25 ans de développement de la ville de Toulouse à travers le regard des satellites).

Dans l'espace, il y a bien sûr les missions d'astronomie comme Hipparcos ou Gaïa qui utilisent la mesure de distance par parallaxe. Dans le domaine de l'observation de la Terre, la stéréovision fait partie des possibilités de prise de vue qui ont été mises en œuvre dès le premier satellite Spot 1 lancé en février 1986, pour construire des modèles numériques de terrain.

Pour commencer, il est important de dire qu’il n’existe aucun satellite optique capable de faire de la « stéréovision instantanée ». L’écartement minimal entre les deux yeux du satellite (le fameux rapport B/H) est trop grand. La seule méthode possible est d’attendre que le satellite se déplace pour acquérir les deux images.

Petit retour en arrière, avec par ordre d'apparition à l'écran : Spot 1 et ses petits frères, Spot 5 et enfin Pléiades. 3 angles d'approche...

La stéréovision sur les satellites Spot 1 à Spot 4 : attendre un tour pour se décaler latéralement...

La première génération de satellites Spot utilise des télescopes dotés de miroirs pivotant. Cela permet de viser à la verticale de l’orbite mais également de prendre de vue obliques (jusqu’à 27°) de part et d’autre de la trace du satellite. C’est intéressant pour améliorer la revisite, le délai entre deux prises de vue d’une même région. C’est également un moyen d’avoir deux points de vue sous des angles différents en attendant que le satellite fasse un tour sur son orbite.

Le principe de prise de vue oblique des satellites Spot 1 à Spot 4. Crédit image CNES.

Spot 5 : vite, un coup d’œil devant, un coup d’œil derrière…

Spot 5 inaugure une nouvelle technique avec l’instrument HRS (Haute résolution stéréo).

Cela paraît simple et c’est pour cela que idée est géniale : ne plus utiliser l’instrument principal du satellite pour la stéréo mais ajouter une charge utile spécialisée.

Il s’agit de deux caméras supplémentaires, une pointant vers l’avant, une autre vers l’arrière. Ils observent chaque zone survolée par Spot 5 sous deux angles différents à quelques dizaines de secondes d’intervalles.

C’est avec cette technique qu’Astrium GEO-Information Services a construit ses bases de données mondiales de modèles numériques de terrain.

L’instrument HRS et son fonctionnement sur Spot 5. Un strabisme divergent qui fait des miracles.
Crédit image : Gédéon

Pléiades : l’agilité et la tri-stéréo pour voir les faces cachées

L’allure de l’image de Manhattan, avec son angle de prise de vue très oblique, illustre bien la méthode la plus récente de prise de vue stéréo : celle des satellites Pléaides. On utilise l’agilité du satellite qui pivote entièrement avec son instrument. Plus de miroir pivotant, des angles beaucoup plus inclinés… Et surtout, la possibilité de faire de la « stéréo massive », c’est-à-dire ne pas se limiter à un couple d’images mais d’acquérir trois images voires plus d’une même scène. L’avantage est de limiter les zones masquées. En zone urbaine avec des hauts immeubles ou sur des terrains au relief accidenté, c’est une condition pour produite des modèles 3D très complets.

En savoir plus :

• L’image en 3D de Manhattan sur le blog du CNES « La tête en l’air » et un autre anaglyphe dans la région de Grenade en Espagne.
• Un autre article sur la vision stéréo et où il est également question de parallaxe en astronomie avec les missions Hipparcos et Gaïa : Deux étapes du Tour de France 2010 au col du Tourmalet : deux points de vue pour bien mesurer le relief, comme pour les satellites d’observation de la Terre.
  
• Deux autres articles sur les attentats du 11 septembre : Du 11 septembre 2001 au 11 septembre 2011 : New York, le World Trade Centre et Ground Zero à travers 10 ans d’images acquises par les satellites d’observation de la Terre , 11 septembre : des images durablement gravées dans nos mémoires…
  
• Les autres articles dans la catégorie « acquisition et traitement des images ».
• Sur Flickr, la galerie d'images Pléiades, mise à jour par le CNES pendant la recette en vol.
• Sur le site Big Picture, une série de photographies publiées à l'occasion du dixième anniversaire des attentats du 11 septembre 2001.
• Sur le site Futura Sciences, un article de Rémy Decourt sur la cartographie de la Terre en 3D.
  

Suggestion d’utilisations pédagogiques en classe :

• La stéréovision, des multiples pistes d’activités en classe : le fonctionnement de la vision humaine, la réalisation de maquettes de maison ou de bâtiments, les courbes de niveau, etc. Inépuisable ! Commencez par exemple par fabriquer des lunettes 3D avec vos élèves...