CA3025944A1

CA3025944A1 - Method for determining the flow rate of a water course

Info

Publication number: CA3025944A1
Application number: CA3025944A
Authority: CA
Inventors: Andre Stumpf; Emmanuel AUGEREAU; Christophe Delacourt
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Univerdite de Bretagne Occidentale
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Univerdite de Bretagne Occidentale
Priority date: 2016-05-27
Filing date: 2017-05-24
Publication date: 2017-11-30
Also published as: JP2019522185A; FR3051902B1; FR3051902A1; FR3051901A1; CN109564118A; EP3465100A1; WO2017203179A1

Abstract

The invention relates to a method for determining the flow rate through a cross-section (or transect) of a water course at an observation site of the water course, from images taken by a camera onsite. The method comprises in particular a step of measuring (E1, E2, E3) the topography of the observation site in a low-water period so as to generate a digital model of the terrain, a step of determining (E4) the height of the water surface at the cross-section by extracting a water zone in the images captured by the camera and superimposing the water zone and the digital model of the terrain, a step of determining (E5) the flow velocity in water columns present at the cross-section, and a step of determining (E6) the flow rate of water through the cross-section from said flow velocity, from said height of water surface and from the digital model of the terrain.

Description

PROCEDE DE DETERMINATION DU DEBIT D'UN COURS D'EAU
Domaine technique La présente invention concerne un procédé de détermination du débit d'un cours d'eau par capture et traitement d'images. Cette détermination ou mesure de débit s'inscrit dans le cadre d'une surveillance de cours d'eau. L'invention s'applique plus particulièrement à la surveillance de rivières à lit mobile.
Etat de la technique On connait le brevet FR2993683 qui porte sur un procédé
de détermination d'un paramètre d'observation associé à
une surface d'eau par imagerie. Ce procédé requiert l'utilisation d'un support visuel, tel qu'une échelle limnimétrique, au moins partiellement immergé pour déterminer la hauteur de la surface d'eau en un point du cours d'eau. La hauteur d'eau est déterminée en capturant et traitant des images de ce support visuel.
Le problème est que ce support visuel peut être dégradé
ou déplacé lors de crues.
Résumé de l'invention Un objet de l'objet de l'invention est de proposer un procédé de détermination d'un débit d'un cours d'eau ne nécessitant aucun support visuel ou instrument immergé
dans le cours d'eau.
Un objet de l'invention est de proposer un procédé
permettant de déterminer régulièrement et aisément le débit de cours d'eau à lit mobile, notamment en crue. METHOD FOR DETERMINING THE FLOW OF A COURSE OF WATER
Technical area The present invention relates to a method of determination of the flow of a river by catch and image processing. This determination or measure of flow is part of a surveillance of stream. The invention applies more particularly to the monitoring of rivers in bed mobile.
State of the art We know the patent FR2993683 which relates to a method determining an observation parameter associated with a surface of water by imagery. This process requires the use of a visual medium, such as a ladder limnimetric, at least partially immersed for determine the height of the water surface at a point of the watercourse. The height of water is determined by capturing and processing images of this visual medium.
The problem is that this visual support can be degraded or moved during floods.
Summary of the invention An object of the object of the invention is to propose a method of determining a flow of a watercourse requiring no visual support or submerged instrument in the stream.
An object of the invention is to propose a method to regularly and easily determine the stream flow with a moving bed, particularly in flood.

2 Selon l'invention, le débit est déterminé par capture et traitement d'images. Le débit est calculé en évaluant le volume d'eau qui s'écoule en une seconde dans une ou plusieurs sections transversales (ou transects) du cours d'eau. Le débit calculé est à
partir de la vitesse d'écoulement du flux, de la morphologie du fond du cours d'eau et de la hauteur de la surface d'eau au niveau de cette section transversale.
A cet effet, l'invention concerne un procédé de détermination du débit à travers au moins une section transversale d'un cours d'eau, notamment à lit mobile, ladite au moins une section transversale étant présente dans un site dit d'observation du cours d'eau, ladite détermination de débit étant réalisée par capture d'images du site d'observation au moyen d'au moins une caméra, chaque point desdites images ayant des coordonnées images dans un référentiel image, ledit procédé comportant les étapes suivantes:
- pendant une phase préliminaire, = détermination, pour ladite au moins une caméra, d'un modèle dit de conversion pour convertir les coordonnées image de points dans les images fournies par la caméra en coordonnées cartographiques dans un repère cartographique, et, inversement, pour convertir les coordonnées cartographiques de points en coordonnées image dans le référentiel image de la caméra, = mesure de la topographie du site d'observation en période d'étiage, de préférence lorsque le cours d'eau est à sec, de manière à générer un modèle 2 According to the invention, the flow is determined by capture and image processing. The flow is calculated in evaluating the volume of water flowing in one second in one or more cross-sections (or transects) of the watercourse. The calculated flow rate is from the flow velocity of the flow, the morphology of the bottom of the watercourse and the height of the water surface at this section cross.
For this purpose, the invention relates to a method of determination of the flow through at least one section cross-section of a watercourse, in particular with a moving bed, said at least one cross section being present in a so-called watercourse observation site, said flow determination being performed by capture images of the observation site by means of at least one camera, each point of said images having image coordinates in an image repository, said method comprising the following steps:
- during a preliminary phase, = determination, for said at least one camera, of a so-called conversion model to convert the coordinates image of points in the images provided by the camera in map coordinates in a cartographic reference, and, conversely, to convert map coordinates of points in image coordinates in the image repository of the camera, = measurement of the topography of the observation site during a period of low water, preferably when the of water is dry, so as to generate a model

3 numérique de terrain géoréférencé du site d'observation dont les points sont référencés dans un repère cartographique, = conversion du modèle numérique de terrain géoréférencé dans le référentiel image au moyen dudit modèle de conversion de la caméra de manière à générer un modèle numérique de terrain dit image, - pendant une phase dite d'observation, = détermination de la hauteur de la surface d'eau au niveau de ladite au moins une section transversale par extraction d'une zone en eau dans les images capturées par la caméra et superposition de ladite zone en eau et dudit modèle numérique de terrain image, = détermination de la vitesse d'écoulement dans des colonnes d'eau présentes au niveau de ladite au moins une section transversale, et = détermination du débit d'eau à travers ladite au moins une section transversale à partir de ladite vitesse d'écoulement, de ladite hauteur de surface d'eau et du modèle numérique de terrain image.
Selon un mode de réalisation particulier, le modèle de conversion de chaque caméra est généré par les étapes suivantes:
- acquisition, par mesure géodésique, des coordonnées cartographiques de points de référence présents dans le site d'observation, - capture, par ladite caméra, d'au moins une image de ladite zone d'observation comprenant lesdits points de référence, et - génération du modèle de conversion de ladite caméra par mise en relation des coordonnées image des points 3 digital georeferenced field of observation site whose points are referenced in a landmark Mapping, = digital terrain model conversion georeferenced in the image frame by means of said camera conversion model so as to generate a digital model of terrain called image, during a so-called observation phase, = determination of the height of the water surface at the level of said at least one cross-section by extracting an area in water in the images captured by the camera and superposition of said area in water and said digital image field model, = determination of the flow velocity in water columns present at the level of said minus a cross-section, and = determination of the water flow through said at least one cross section from said flow velocity, of said surface height of water and digital image field model.
According to a particular embodiment, the model of conversion of each camera is generated by the steps following:
- acquisition, by geodesic measurement, of coordinates map of reference points present in the observation site, capture, by said camera, of at least one image of said observation zone comprising said points of reference, and - generation of the conversion model of said camera by linking the image coordinates of the points

4 de référence dans l'image avec les coordonnées cartographiques desdits points de référence.
Les points de référence sont par exemple des cibles réfléchissantes réparties uniformément sur le site d'observation pendant la phase préliminaire.
Selon un mode de réalisation particulier, les coordonnées cartographiques des points de référence sont fournis par un outil de mesure ayant une précision centimétrique, tel qu'un récepteur GPS différentiel (ou DGPS) ou un tachéomètre.
Selon un mode de réalisation particulier, le modèle numérique de terrain géoréférencé est généré par stéréo-photogrammétrie selon les étapes suivantes:
- génération, dans un repère relatif, d'un modèle numérique de terrain du site d'observation par stéréo-photogrammétrie à partir d'images capturées par au moins deux caméras présentes sur le site d'observation, lesdites images capturées comportant des points de référence dont les coordonnées cartographiques sont prédéterminés, et - géoréférencement du modèle numérique de terrain par mise en relation des coordonnées desdits points de références dans le repère relatif avec les coordonnées cartographiques desdits points de référence.
Les points de référence peuvent être les points de référence employés pour la génération du modèle de conversion ou bien d'autres points de référence, temporaires ou non, dont les coordonnées cartographiques sont connues.

Selon un mode de réalisation en variante, le modèle numérique de terrain du site d'observation n'est pas généré à partir d'images capturées par les caméras du site d'observation. Selon cette variante, le modèle 4 reference in the image with coordinates map of said reference points.
Reference points are for example targets reflective evenly distributed on the site during the preliminary phase.
According to a particular embodiment, the map coordinates of reference points are provided by a measuring tool having a precision centimeters, such as a differential GPS receiver (or DGPS) or a tacheometer.
According to a particular embodiment, the model digital georeferenced terrain is generated by Stereo-photogrammetry according to the following steps:
- generation, in a relative reference, of a model field of view of the stereo-photogrammetry from images captured by at minus two cameras present on the observation site, said captured images having points of reference whose map coordinates are predetermined, and - georeferencing of the digital terrain model by relating the coordinates of said points of references in relative coordinate with coordinates map of said reference points.
The reference points can be the points of reference employees for generating the model of conversion or other reference points, temporary or non-temporary contact information map are known.

According to an alternative embodiment, the model digital terrain observation site is not generated from images captured by the cameras of the observation site. According to this variant, the model

5 numérique de terrain (MNT) est généré par stéréo-photogrammétrie à partir d'images ayant une meilleure résolution, par exemple à partir d'images (ou photos) capturées à l'aide d'un appareil photo numérique par un opérateur. Dans cette variante, le modèle numérique de terrain géoréférencé est généré par stéréo-photogrammétrie selon les étapes suivantes:
- génération, dans un repère relatif, d'un modèle numérique de terrain du site d'observation par stéréo-photogrammétrie à partir d'images du site d'observation capturées par un dispositif de capture, tel qu'un appareil photo numérique, lesdites images issues du dispositif de capture ayant une résolution supérieure aux images issues des caméras du site d'observation, lesdites images capturées comportant en outre des points de référence dont les coordonnées cartographiques sont prédéterminés, et - géoréférencement du modèle numérique de terrain par mise en relation des coordonnées desdits points de références dans le repère relatif avec les coordonnées cartographiques desdits points de référence.
Selon un mode de réalisation particulier, la vitesse d'écoulement dans les colonnes d'eau au niveau de ladite section transversale est déterminée par une technique de vélocimétrie d'image de particule ou PIV
(pour Particule Image Velocimetry dans la littérature anglo-saxonne) appliquée à des traceurs, tels que des 5 digital terrain (DTM) is generated by stereo-photogrammetry from images having better resolution, for example from images (or photos) captured with a digital camera by a operator. In this variant, the numerical model of georeferenced terrain is generated by stereo-photogrammetry according to the following steps:
- generation, in a relative reference, of a model field of view of the stereo-photogrammetry from images of the observation site captured by a capture device, such as a digital camera, said images from the capture device having a higher resolution images from the cameras of the observation site, said captured images further comprising reference points whose coordinates are predetermined, and - georeferencing of the digital terrain model by relating the coordinates of said points of references in relative coordinate with coordinates map of said reference points.
According to a particular embodiment, the speed flow in the water columns at the level of said cross section is determined by a particle image velocimetry technique or PIV
(for Particle Image Velocimetry in literature Anglo-Saxon) applied to tracers, such as

6 points d'écume et/ou des vaguelettes, présents à la surface de l'eau pour déterminer la vitesse d'écoulement en surface dans les images capturées puis déterminer la vitesse d'écoulement dans les colonnes d'eau au niveau de ladite section transversale par application d'un modèle prédéterminé aux vitesses d'écoulement en surface. Ce modèle prédéterminé est par exemple un modèle empirique configuré avec des mesures in situ.
Selon un mode de réalisation particulier, la hauteur de la surface d'eau est déterminée par les étapes suivantes:
- extraction de la zone en eau sur les images capturées par la caméra, et - superposition de la zone en eau extraite et du modèle numérique de terrain image de manière à ne conserver que la portion du modèle numérique de terrain image correspondant à la zone en eau extraite, la hauteur de surface d'eau au niveau de la section transversale correspondant au point le plus haut du modèle numérique de terrain image au niveau de la section transversale.
Selon un mode de réalisation particulier, la zone en eau est détectée dans les images par détection des zones en mouvement dans les images.
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé
comporte avantageusement une étape supplémentaire de détection des zones de végétation dans les images, lesdites zones de végétation étant déduites des zones en mouvement pour former la zone en eau. La zone en eau détectée est alors plus fiable. 6 scum and / or wavelets, present at the water surface to determine the speed surface flow in captured images then determine the flow velocity in the columns of water at said cross section by application of a predetermined model to the speeds surface flow. This predetermined pattern is by example an empirical model configured with measurements in situ.
According to a particular embodiment, the height of the water surface is determined by the steps following:
- extraction of the water zone on captured images by the camera, and - superposition of the area in extracted water and the model digital image field so as to not keep that portion of the digital terrain model image corresponding to the extracted water zone, the height of water surface at the cross section corresponding to the highest point of the numerical model image field at the cross section.
According to a particular embodiment, the zone in water is detected in the images by detection of moving areas in the images.
According to a particular embodiment, the method advantageously comprises an additional step of detection of vegetation zones in the images, said zones of vegetation being deduced from the zones in motion to form the area in water. The water zone detected is then more reliable.

7 Selon un mode de réalisation en variante, la zone en eau est détectée dans les images par calcul de la variance et la luminosité moyenne des pixels des images, la zone en eau correspondant aux pixels dont la variance et la luminosité moyennes sont supérieures à
des seuils prédéfinis.
L'invention concerne également un procédé portant uniquement sur la détermination de la hauteur de la surface d'eau au niveau d'une section transversale (ou transect) du cours d'eau. A cet effet, l'invention concerne également un procédé de détermination de la hauteur de la surface d'eau au niveau d'au moins une section transversale d'un cours d'eau, ladite section transversale étant présente dans un site dit d'observation du cours d'eau, ladite détermination de hauteur étant réalisée par capture d'images du site d'observation au moyen d'au moins une caméra, chaque point desdites images ayant des coordonnées images dans un référentiel image, ledit procédé comportant les étapes suivantes - pendant une phase préliminaire dite de géoréférencement, = Détermination, pour ladite au moins une caméra, d'un modèle dit de conversion pour convertir les coordonnées image de points dans les images fournies par la caméra en coordonnées cartographiques dans un repère cartographique et, inversement, pour convertir les coordonnées cartographiques de points en coordonnées image dans le référentiel image de la caméra, 7 According to an alternative embodiment, the zone in water is detected in the images by calculating the variance and the average brightness of the pixels of the images, the water zone corresponding to the pixels whose mean variance and brightness are greater than predefined thresholds.
The invention also relates to a method only on determining the height of the water surface at a cross section (or transect) of the watercourse. For this purpose, the invention also relates to a method for determining the height of the water surface at the level of at least one cross-section of a watercourse, that section transversal being present in a site called the observation of the watercourse, the said determination of height being realized by capturing images of the site by means of at least one camera, each point of said images having image coordinates in an image repository, said method comprising the following steps - during a preliminary phase called georeferencing, = Determination, for said at least one camera, of a so-called conversion model to convert the coordinates image of points in the images provided by the camera in coordinates cartographic map and, conversely, to convert coordinates map of points in image coordinates in the image repository of the camera,

8 = mesure de la topographie du site d'observation en période d'étiage, de préférence lorsque le cours d'eau est à sec, de manière à générer un modèle numérique de terrain géoréférencé du site d'observation dont les points sont référencés dans un repère cartographique, = conversion du modèle numérique de terrain géoréférencé dans le référentiel image au moyen dudit modèle de conversion de la caméra de manière à générer un modèle numérique de terrain dit image, - pendant une phase dite d'observation, = extraction de la zone en eau sur des images capturées par la caméra, et = superposition de la zone en eau extraite et du modèle numérique de terrain image de manière à ne conserver que la portion du modèle numérique de terrain correspondant à la zone en eau extraite, la hauteur de surface d'eau au niveau de la section transversale correspondant au point le plus haut du modèle numérique de terrain image au niveau de la section transversale.
Brève description des figures ¨ La figure 1 est une vue schématique d'une section transversale d'un cours d'eau à travers laquelle est mesuré le débit du cours d'eau, La figure 2 est un organigramme montrant les étapes du procédé de l'invention, et WO 2017/203178 = measurement of the topography of the observation site during periods of low water, preferably when stream is dry, so as to generate a georeferenced site digital model of the site of observation whose points are referenced in a cartographic reference, = digital terrain model conversion georeferenced in the image repository by means of said camera conversion model of way to generate a digital terrain model said picture, during a so-called observation phase, = extraction of the water zone on images captured by the camera, and = superposition of the area in extracted water and digital model of terrain image so as to not keep that portion of the digital model of land corresponding to the extracted water zone, the water surface height at the level of the cross section corresponding to the point the highest digital terrain model image at cross section level.
Brief description of the figures the figure 1 is a schematic view of a cross section of a watercourse through which is measured the flow of the watercourse, Figure 2 is a flowchart showing the steps of the method of the invention, and WO 2017/20317

9 Les figures 3a et 3b illustrent le modèle de conversion;
Description détaillée de l'invention L'invention sera décrite dans le cadre dans la détermination du débit d'un cours d'eau à partir d'images capturées par des caméras disposées sur le tablier d'un pont enjambant ledit cours d'eau. Les caméras employées sont par exemple des caméras habituellement utilisées pour des applications de surveillance.
Selon l'invention, le débit est calculé en évaluant le volume d'eau qui s'écoule en une seconde dans une ou plusieurs sections transversales S d'un cours d'eau C
comme représenté à la figure 1. Selon l'invention, le débit calculé est à partir de la vitesse d'écoulement du flux, de la morphologie du fond du cours d'eau et de la hauteur de la surface d'eau au niveau de cette section transversale.
La figure 2 est un schéma récapitulant les étapes du procédé de l'invention. Il comporte cinq étapes référencées El à E5. Les étapes El et E2 sont exécutées pendant une phase préliminaire dite de géoréférencement et les étapes E3 à E5 sont réalisées pendant une phase d'observation (ou de surveillance) du cours d'eau.
Plus spécifiquement, le procédé comprend les étapes suivantes:
- étape El: détermination d'un modèle de conversion pour chaque caméra du site;

- étape E2: mesure de la topographie du site d'observation en période d'étiage;
- étape E3: détermination de la hauteur de la surface d'eau au niveau de chaque section transversale, 5 - étape E4: détermination de la vitesse d'écoulement de colonnes d'eau au niveau de chaque section transversale, et - étape E5: détermination du débit d'eau à travers de chaque section transversale. 9 Figures 3a and 3b illustrate the model of conversion;
Detailed description of the invention The invention will be described in the framework in the determination of the flow of a watercourse from images captured by cameras placed on the deck of a bridge spanning said stream. The used cameras are for example cameras usually used for monitoring.
According to the invention, the flow rate is calculated by evaluating the volume of water that flows in one second in one or several cross-sections S of a watercourse C
as shown in FIG. 1. According to the invention, the calculated flow rate is from the flow rate flow, the morphology of the bottom of the watercourse and the height of the water surface at this level cross section.
Figure 2 is a diagram summarizing the steps of the method of the invention. It has five steps referenced El to E5. Steps E1 and E2 are executed during a preliminary phase called georeferencing and steps E3 to E5 are performed during a phase observation (or monitoring) of the watercourse.
More specifically, the method comprises the steps following:
step E1: determining a conversion model for each camera on the site;

step E2: measurement of the topography of the site observation during low water periods;
step E3: determination of the height of the surface of water at each cross section, Step E4: determination of the flow velocity of water columns at each section transversal, and step E5: determination of the flow of water through each cross section.

10 Selon l'invention, les calculs réalisés aux étapes E3 à
E5 sont réalisées dans les référentiels images des caméras installées sur le site d'observation.
Etape El: détermination d'un modèle de conversion pour chaque caméra du site Pour tout calcul physique par imagerie, il est nécessaire de géoréférencer l'image pour connaitre l'emprise au sol de chaque pixel de l'image et leur résolution réelle dans un référentiel cartographique.
Pour cette étape, plusieurs points de référence temporaires, par exemple des cibles réfléchissantes, sont disposés sur le site d'observation. Ces points de référence temporaires sont avantageusement uniformément répartis sur le site d'observation. La position cartographique de ces points de référence temporaires est mesurée à l'aide d'outils de mesure géodésique, tels qu'un tachéomètre ou GPS différentiel (également appelé DGPS pour Differential Global Positioning System). According to the invention, the calculations made in steps E3 to E5 are realized in the image reference frames of cameras installed on the observation site.
Step El: Determining a conversion model for every camera on the site For any physical calculation by imaging, it is necessary to georeference the image to know the footprint of each pixel in the image and their real resolution in a map repository.
For this step, several reference points temporary, for example reflective targets, are arranged on the observation site. These points of temporary references are advantageously uniformly distributed on the observation site. The position map of these temporary reference points is measured using geodetic measurement tools, such as a tachymeter or differential GPS (also called DGPS for Differential Global Positioning System).

11 Plusieurs images du site d'observation comprenant lesdits points de référence temporaires sont ensuite capturées à l'aide de la ou les caméra(s) disposée(s) sur le site. On dispose alors des coordonnées cartographiques des points de référence temporaires (fournis par l'outil de mesure géodésique) et des coordonnées images de ces points de référence temporaires dans le référentiel image de chacune des images fournies par les caméras. Selon l'invention, on en déduit alors pour chacune des caméras un modèle de conversion permettant de convertir les coordonnées image des points d'image dans le référentiel image de la caméra en coordonnées cartographiques dans un référentiel cartographique.
Ce modèle permet de déterminer l'emprise au sol de chaque pixel d'image.
Le modèle de conversion généré est illustré par les figures 3a à 3b. La figure 3a est une image du site d'observation affichée dans le repère image d'une caméra et la figure 3b représente la même image projetée dans un repère cartographique par application du modèle de conversion à l'image de la figure 3a.
Etape E2: mesure de la topographie du site d'observation en période d'étiage La mesure de la topographie du site d'observation est réalisée en période d'étiage, de préférence lorsque le cours d'eau est à sec. Cette étape a pour but de générer un module numérique de terrain ou MNT. 11 Several images of the observation site including said temporary reference points are then captured with the camera (s) arranged on the site. We then have coordinates mapping of temporary reference points (provided by the Geodetic Measurement Tool) and coordinates images of these reference points in the image repository of each of the images provided by the cameras. According to the invention, then deduces for each of the cameras a model of conversion to convert coordinates image of the image points in the image repository of the camera in map coordinates in a cartographic reference.
This model makes it possible to determine the footprint of each pixel of image.
The conversion model generated is illustrated by the Figures 3a to 3b. Figure 3a is an image of the site of observation displayed in the image frame of a camera and figure 3b represents the same image projected in a cartographic frame by application of the conversion model in the image of Figure 3a.
Step E2: measuring the topography of the site during low water periods The measurement of the topography of the observation site is carried out during low-water periods, preferably when the stream is dry. This step aims to generate a digital terrain module or DTM.

12 Cette étape est réalisée par stéréo-photogrammétrie.
Cette technique se base sur le principe de la vision stéréoscopique. Deux images d'un même objet acquises sous des points de vue différents permettent de reconstruire la géométrie tridimensionnelle de cet objet. Les images sont corrélées afin de rechercher entre elles des points homologues. La mesure du décalage entre ces points homologues permet de calculer leur position en trois dimensions. Le résultat obtenu est alors un nuage de points qui est ensuite interpolé
pour obtenir un modèle numérique de terrain.
Les images employées pour la stéréo-photogrammétrie comportent des points de référence, temporaires ou non, dont les coordonnées cartographiques sont connues. Ces points sont par exemple ceux déjà employés pour la génération du modèle de conversion. Ce sont par exemple des images capturées par les caméras montées sur le tablier du pont.
En pratique, on génère tout d'abord, dans un repère relatif, un modèle numérique de terrain du site d'observation par stéréo-photogrammétrie à partir d'images capturées par les caméras du pont. Puis, le MNT généré est géoréférencé par mise en relation des coordonnées des points de références dans le repère relatif avec les coordonnées cartographiques desdits points de référence.
Il est à noter que le positionnement des caméras sur le pont et leurs résolutions (plutôt faibles) ne permet pas toujours d'effectuer une bonne corrélation entre points homologues, ce qui est indispensable pour le calcul stéréo-photogrammétrique. 12 This step is performed by stereo-photogrammetry.
This technique is based on the principle of vision stereoscopic. Two images of the same object acquired under different points of view allow for reconstruct the three-dimensional geometry of this object. Images are correlated to search between them homologous points. The measurement of offset between these homologous points can calculate their position in three dimensions. The result obtained is then a scatter plot that is then interpolated to obtain a digital terrain model.
Images used for stereo-photogrammetry include reference points, temporary or otherwise, whose map coordinates are known. These points are for example those already employed for the generation of the conversion model. These are for example images captured by cameras mounted on the bridge deck.
In practice, one generates first, in a reference relative, a digital terrain model of the site observation by stereo-photogrammetry from images captured by the cameras of the bridge. Then, the DTM generated is georeferenced by linking coordinates of the reference points in the reference relative with the map coordinates of said reference points.
It should be noted that the positioning of the cameras on the bridge and their resolutions (rather weak) does not allow not always to perform a good correlation between counterparts, which is essential for the stereo-photogrammetric calculation.

13 Par conséquent, selon un mode de réalisation avantageux, les images utilisées pour cette étape sont générées par un appareil photographique numérique ayant une résolution supérieure à celle des caméras, par exemple de l'ordre d'au moins 10 Mégapixels. X photos (ou images) tous les N mètres (soit X photos à chaque position) sont par exemple capturées par un opérateur se déplaçant le long du pont. Ces X photos sont de préférence prises avec des angles de visée différents (dans le plan vertical) de façon à couvrir une zone étendue en amont du pont.
Un MNT est calculé dans un premier temps, dans un repère relatif, par stéréo-photogrammétrie à partir des images capturées par l'appareil photo numérique. Ce MNT
est ensuite géoréférencé par mise en relation des coordonnées des points de références dans le repère relatif avec les coordonnées cartographiques desdits points de référence.
Etape E3: Mesure de la hauteur de la surface d'eau Cette étape peut être réalisée, au moins partiellement, en parallèle avec l'étape E4 de mesure de la vitesse d'écoulement.
Dans la présente méthode, on considère que la hauteur de la surface d'eau est sensiblement la même le long de la section transversale. On entend par hauteur de la surface en eau la valeur de la coordonnée z dans un repère orthonormé (0,x,y,z).
Selon l'invention, la hauteur d'eau est déterminée de la manière suivante: 13 Therefore, according to one embodiment advantageous, the images used for this step are generated by a digital camera having a higher resolution than the cameras, by example of the order of at least 10 megapixels. X photos (or images) every N meters (ie X photos at each position) are for example captured by an operator moving along the bridge. These X photos are from preference taken with different viewing angles (in the vertical plane) so as to cover an area extended upstream of the bridge.
A DTM is initially calculated, in a relative benchmark, by stereo-photogrammetry from images captured by the digital camera. This DTM
is then georeferenced by linking coordinates of the reference points in the reference relative with the map coordinates of said reference points.
Step E3: Measuring the height of the water surface This step can be performed, at least partially, in parallel with step E4 for measuring the speed flow.
In this method, we consider that the height of the water surface is substantially the same along the cross section. We mean by height of the water surface the value of the z coordinate in a orthonormal coordinate system (0, x, y, z).
According to the invention, the height of water is determined by the following way:

14 - extraction de la zone eau dans les images capturées par les caméras;
- superposition de cette zone en eau extraite et du MNT
image de manière à ne conserver que la portion du MNT
image correspondant à la zone en eau.
La hauteur de surface d'eau au niveau de la section transversale correspond alors au point le plus haut du MNT image pour cette section.
L'extraction de la zone en eau peut être réalisée de différentes manières. Selon l'invention, on prend comme hypothèse que la zone en eau correspond aux zones en mouvement dans la séquence d'images filmée. Cette zone en mouvement est déterminée en calculant le champ de vitesse par PIV (pour Particle Image Velocimétry en langue anglaise) dans les images capturées par les caméras comme cela est décrit plus loin pour l'étape E4 de mesure de la vitesse d'écoulement. Cette zone en mouvement correspond aux points d'image dont le vecteur vitesse est non nul.
Cette hypothèse (zone en eau = zone en mouvement) suppose que le reste de l'image est fixe. Or ce n'est pas toujours le cas. En effet, la végétation peut bouger sous l'effet du vent. Aussi, selon un mode de réalisation avantageux, les zones de végétation sont exclues de la zone en eau. Les zones de végétation sont détectées sur la base de critères radiométriques, et notamment leur couleur (verte).
La détection de la zone en eau peut être calculée en calculant la variance de la valeur des pixels et leur luminosité moyenne sur plusieurs images consécutives.

Ces deux paramètres, combinés ensemble, forme un indice de présence d'eau. Plus ces paramètres ont une valeur élevée, plus la probabilité de présence d'eau est élevée. Par la suite, une technique de seuillage 5 automatique est utilisée pour générer un masque binaire. Ce masque est de nouveau traité pour supprimer les points isolés et le bruit.
Une fois que la zone en eau est détectée dans les images, elle est superposée au MNT image. Seule la 10 portion de MNT correspondant à la zone en eau est conservée et, comme indiqué plus haut, la hauteur de la surface d'eau de la rivière correspond alors, pour une section transversale donnée du MNT, au point le plus haut de cette section du MNT. 14 - extraction of the water zone in captured images by the cameras;
- superposition of this area in extracted water and the DEM
image so as to keep only the portion of the DTM
image corresponding to the water zone.
The water surface height at the section level transversal then corresponds to the highest point of the MNT image for this section.
The extraction of the zone in water can be carried out different ways. According to the invention, we take as hypothesis that the water zone corresponds to the zones in motion in the filmed image sequence. This zone in motion is determined by calculating the field of speed by PIV (for Particle Image Velocimetry in English language) in the images captured by the cameras as is described later for step E4 measuring the flow velocity. This area movement corresponds to the image points whose vector speed is not zero.
This hypothesis (water zone = moving zone) suppose the rest of the image is fixed. But this is not always the case. Indeed, vegetation can move under the wind. Also, according to a mode of advantageous realization, the vegetation zones are excluded from the water zone. The vegetation zones are detected on the basis of radiometric criteria, and especially their color (green).
The detection of the water zone can be calculated by calculating the variance of the pixel value and their average brightness on several consecutive images.

These two parameters, combined together, form a clue presence of water. Plus these parameters have a value high, the greater the probability of water presence high. Subsequently, a thresholding technique 5 automatic is used to generate a mask binary. This mask is again processed to remove isolated points and noise.
Once the water zone is detected in the images, it is superimposed on the DTM image. Only the 10 portion of the DTM corresponding to the area in water is preserved and, as indicated above, the height of the water surface of the river then corresponds, for a given cross-section of the DTM, at the most top of this section of the DTM.

15 Etape E4: Mesure de la vitesse d'écoulement Cette étape est réalisée sur les mêmes images que celles pour lesquelles la hauteur d'eau a été calculée.
La vitesse d'écoulement des colonnes d'eau au niveau de la section transversale est calculée en deux temps:
dans un premier temps, on calcule la vitesse de l'eau en surface au niveau de la section transversale, puis, dans un deuxième temps, on calcule la vitesse d'écoulement des colonnes d'eau toutes entière.
La vitesse de l'eau en surface est mesurée par vélocimétrie d'image de particule ou PIV (pour Particle Image Velocimetry en langue anglaise.
La méthode PIV est une méthode optique de mesure de la vitesse instantanée d'un fluide. Cette méthode est habituellement utilisée en laboratoire. Le fluide dont on mesure la vitesse est ensemencé de particules Step E4: Measuring the flow rate This step is performed on the same images as those for which the height of water has been calculated.
The flow velocity of the water columns at the level of the cross section is calculated in two stages:
first, we calculate the speed of the water at the surface at the cross section, then, in a second step, we calculate the speed flow of the entire water columns.
The speed of surface water is measured by particle image velocimetry or PIV (for Particle Velocimetry image in English language.
The PIV method is an optical method for measuring the instantaneous velocity of a fluid. This method is usually used in the laboratory. The fluid of which we measure the speed is seeded with particles

16 passives appelées traceurs qui suivent la dynamique de l'écoulement. Le fluide, ainsi que les particules sont éclairées par un laser de telle sorte que les particules soient visibles. Le flux étant imagé à haute fréquence, il est possible, grâce à des algorithmes de corrélation, de suivre une particule sur deux images consécutives. C'est donc le mouvement des particules qui permet de calculer le champ de vitesses de l'écoulement étudié. Dans le cas présent, il est proposé d'utiliser les embruns, les écumes ou les vaguelettes présent(e)s à la surface de l'eau comme traceurs.
Pour chaque couple d'images se succédant dans le temps, le logiciel de PIV cherche des portions d'image (ou fenêtres de corrélation) similaires dans une portion d'image appelée fenêtre de recherche (plus étendue que la fenêtre de corrélation). Le critère de similarité
est défini de façon statistique. Le décalage entre les deux fenêtres de corrélation de deux images successives est en fait la mesure du décalage spatial qui s'est produit entre les deux images. Connaissant l'intervalle de temps qui sépare les deux images (1/25 seconde), on obtient alors une vitesse. Ce processus est réalisé
pour chaque traceur de l'image (une fenêtre de corrélation est définie autour de chaque point de l'image) et permet de reconstruire le champ de vitesse.
Cette méthode appliquée aux images du site d'observation permet d'obtenir un champ de vecteurs vitesses pour l'ensemble des traceurs et, par interpolation, pour l'ensemble des points de chacune des images. Avant conversion dans le référentiel 16 passives called tracers that follow the dynamics of flow. The fluid, as well as the particles are illuminated by a laser so that the particles are visible. The flow being imaged at high Frequency it is possible through algorithms of correlation, to follow a particle on two images consecutive. It is therefore the movement of particles which makes it possible to calculate the velocity field of the studied flow. In this case, it is proposed to use spray, scum or wavelets present on the surface of the water as plotters.
For each pair of images succeeding each other in time, PIV software looks for image portions (or correlation windows) similar in a portion image called the search window (more extensive than the correlation window). The similarity criterion is defined statistically. The gap between two correlation windows of two successive images is in fact the measure of the spatial shift that has produced between the two images. Knowing the interval of time between the two images (1/25 second), then gets a speed. This process is realized for each image tracer (a window of correlation is defined around each point of the image) and allows to reconstruct the speed field.
This method applied to images of the site of observation makes it possible to obtain a vector field speeds for all tracers and, by interpolation, for all the points of each images. Before conversion to the repository

17 cartographique, le champ de vecteurs, qui est exprimé
en pixel par seconde (pixels/s), montre une vitesse plus importante dans les zones du site les plus proches de la caméra (en champ proche). Le passage dans un repère cartographique à l'aide du modèle de conversion défini à l'étape El, permet d'obtenir des vecteurs vitesses exprimés en mètres par seconde (m/s) et permet de corriger les distorsions engendrées par l'inclinaison de la caméra.
La vitesse mesurée par la méthode PIV est une vitesse du flux en surface. Pour calculer le débit, il est nécessaire de déterminer la vitesse du flux dans les colonnes d'eau s'étendant entre le fond de la rivière (lit) et l'eau en surface.
Le coefficient de passage entre la vitesse de surface et la vitesse dans la colonne d'eau est déterminé grâce à des modèles empiriques, bien connus dans le domaine de l'hydrologie, ces modèles pouvant être calibrés par des mesures in-situ. Dans ces modèles, la vitesse est considérée comme nulle ou quasi-nulle au fond de la rivière. La hauteur d'eau calculée à l'étape E3 est également fournie au modèle pour calculer les vitesses sur toute la colonne d'eau située entre le fond (vitesse nulle) et la surface (vitesse la plus élevée).
Etape E5: Calcul du débit Le débit d'eau au travers d'une ou plusieurs section(s) transversale(s) de la rivière est calculé à partir de:
- la vitesse d'écoulement dans les colonnes d'eau présentes le long de la section transversale, 17 cartographic, the vector field, which is expressed in pixels per second (pixels / sec), shows a speed most important in the nearest areas of the site of the camera (in the near field). The passage in a map reference using the conversion model defined in step El, makes it possible to obtain vectors speeds expressed in meters per second (m / s) and allows to correct the distortions caused by the tilt of the camera.
The speed measured by the PIV method is a speed surface flux. To calculate the flow, it is necessary to determine the speed of the flow in columns of water extending between the bottom of the river (bed) and surface water.
The coefficient of passage between the surface velocity and the speed in the water column is determined through to empirical models, well known in the field hydrology, these models can be calibrated in-situ measurements. In these models, speed is considered to be null or virtually nil at the bottom of the river. The water height calculated in step E3 is also provided to the model to calculate speeds on the entire water column located between the bottom (zero speed) and the surface (highest speed).
Step E5: Flow calculation The flow of water through one or more section (s) Cross-section (s) of the river is calculated from:
- the flow velocity in the water columns present along the cross section,

18 - la hauteur de la surface en eau au niveau de cette section transversale, et - le MNT image.
Avantageusement, le débit est calculé sur 3 sections transversales de la rivière et le débit retenu est le débit moyen de manière à réduire les incertitudes sur les mesures.
L'invention porte également sur le procédé de détermination de la hauteur de surface d'eau en tant que telle, telle que définie à l'étape E3. 18 - the height of the water surface at this level cross section, and - the DEM image.
Advantageously, the flow is calculated on 3 sections cross sections of the river and the flow rate retained is the average throughput to reduce uncertainties about measures.
The invention also relates to the method of determination of the water surface height as than such as defined in step E3.

Claims

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1) Flow rate determination method through at least a cross-section of a watercourse, including moving bed, said at least one cross section being present in a site said to observe the course of water, said flow rate determination being carried out by capture of images from the observation site by means of least one camera, each point of said images having image coordinates in an image repository, said method comprising the following steps:
- during a preliminary phase, .cndot. determination (E1) for said at least one camera, a so-called conversion model to convert the image coordinates of points in the images provided by the camera in map coordinates in a cartographic frame and vice versa, .cndot. measurement (E2) of the site topography during low water periods, preferably when the watercourse is dry, so as to generate a georeferenced site digital model of the site observers whose points are referenced in a map reference and digital model conversion field georeferenced in the image reference at means of said model of conversion of the camera of way to generate a digital terrain model says picture, during a so-called observation phase, .cndot. determination (E3) of the height of the surface of water at said at least one section cross section by extracting an area in water in the images captured by the camera and overlay of said water zone and said digital terrain model picture, .cndot. determination (E4) of the flow rate in water columns present at the level of said at least one cross section, and .cndot. determination (E5) of water flow through said at least one cross section from said flow velocity, of said height of water surface and digital image field model.

2) Method according to claim 1, characterized in that that the conversion model of each camera is generated by the following steps:
- acquisition, by geodesic measurement, of coordinates map of reference points present in the observation site, capture, by said camera, of at least one image of said observation zone comprising said points of reference, and - generation of the conversion model of said camera by linking the image coordinates of the points reference in the image with coordinates map of said reference points.

3) Process according to claim 1 or 2, characterized in that the digital georeferenced terrain model is generated by stereo-photogrammetry according to the steps following:
- generation, in a relative reference, of a model field of view of the stereo-photogrammetry from images captured by at minus two cameras present on the observation site, said captured images having points of reference whose map coordinates are predetermined, and - georeferencing of the digital terrain model by relating the coordinates of said points of references in relative coordinate with coordinates map of said reference points.

4) Process according to claim 1 or 2, characterized in that the digital georeferenced terrain model is generated by stereo-photogrammetry according to the steps following:
- generation, in a relative reference, of a model field of view of the stereo-photogrammetry from images of the observation site captured by a capture device, such as a digital camera, said images from the capture device having a higher resolution to the images coming from the camera, the said images captured with reference points whose map coordinates are predetermined, and - georeferencing of the digital terrain model by relating the coordinates of said points of references in relative coordinate with coordinates map of said reference points.

5) Process according to any one of Claims 1 to 4, characterized in that the speed flow in the water columns at the level of said cross section is determined by a particle image velocimetry technique or PIV
(for Particle Image Velocimetry in literature Anglo-Saxon) applied to tracers, such as scum and / or wavelets, present at the water surface to determine the speed surface flow in captured images then determine the flow velocity in the columns of water at said cross section by application of a predetermined model to the speeds surface flow.

6) Process according to claim 5, characterized in that that the height of the water surface is determined by the following steps:
- extraction of the water zone on the images captured by the camera, and - superposition of the area in extracted water and digital model of terrain image so as to not keep that portion of the digital terrain model image corresponding to the extracted water zone, the water surface height at section level cross-section corresponding to the highest point of the digital model of terrain image at the level of the cross section.

7) Process according to claim 6, characterized in that that the water zone is detected in the images by detection of moving areas in the images.

8) Method according to claim 7, characterized in that that it includes a step of detection of the zones of vegetation in the images, the said zones of vegetation being derived from moving areas for form the area in water.

9) Process according to claim 6, characterized in that that the water zone is detected in the images by calculation of the variance and average brightness of the pixels of the images, the water zone corresponding to pixels whose average variance and brightness are above predefined thresholds.

10) Method for determining the height of the water surface at least one section cross-section of a watercourse, that section transversal being present in a site called the observation of the watercourse, the said determination of height being realized by capturing images of the site by means of at least one camera, each point of said images having image coordinates in an image reference, said method comprising the following steps - during a preliminary phase called georeferencing, .cndot. Determination, for said at least one camera, of a so-called conversion model to convert the coordinates image of points in the images provided by the camera in map coordinates in a cartographic reference and conversely, .cndot. measuring the topography of the observation site during a period of low water, preferably when the of water is dry, so as to generate a model digital georeferenced field of observation site whose points are referenced in a landmark Mapping, .cndot. digital terrain model conversion georeferenced in the image frame by means of said camera conversion model so as to generate a digital model of terrain called image, during a so-called observation phase, .cndot. extraction of the water zone on images captured by the camera, and .cndot. superposition of the area in extracted water and digital model of terrain image so as to not keep that portion of the digital terrain model corresponding to the extracted water zone, the height of water surface at the cross section corresponding to the highest point of the numerical model image field at the cross section.