Instrumentations hydrologiques:

Les images, issues d'appareils de prises de vues disposés sur les berges des rivières, sont les données de base du système. Elles contiennent les informations hydrométriques recherchées. Des algorithmes, inspirés des techniques classiques de traitement d'images, mais adaptés de façon originale aux conditions naturelles (luminosité/contraste non contrôlés et fortement variables, etc.), couplés à des lois hydrauliques ont été imaginés afin d'estimer les trois grandeurs hydrologiques souhaitées (hauteurs, vitesses et débits).

Le niveau d'eau est "lu" sur une mire optique, fixée sur la berge (échelle limnimétrique graduée, mire spécifique, ...), de la même manière que le fait un opérateur. Les algorithmes cherchent à interpréter les variations colorimétriques des pixels pour localiser, sur l'image, l'intersection entre la géométrie de la mire et le plan de la surface de la rivière. Un modèle géométrique mathématique automatiquement calibré assure ensuite la conversion de la hauteur d'eau estimée en pixels dans l'image en unité métrique. Cet algorithme permet de modéliser systématiquement les mouvements du capteur vidéo lorsque celui-ci est fixé sur un support, comme ceux dûs à l'effet du vent, ou aux vibrations du sol lors du passage d'un véhicule par exemple.

Le champ de vitesses de la surface de la rivière est estimé grâce à un algorithme inspiré d'une méthode numérique très utilisée en mécanique des fluides : la PIV (Particles Image Velocimetry ou Vélocimétrie par Imagerie de Particules). Simplement, cette technique cherche à détecter dans deux images prises à intervalle de temps court, les déplacements d'objets flottants et visibles à la surface (flotteurs naturels ou non, discontinuité hydraulique, etc.).

Comme précédemment pour la recherche de la hauteur d'eau dans une image, cette technique a du être fortement modifiée pour tenir compte des conditions de prises de vues non contrôlées et non contrôlables dans le milieu naturel. En effet, les fortes variations lumineuses intervenantes lors des différentes prises de vues quotidiennes (contre-jour, effets d’ombres, reflets, etc.) engendrent des difficultés supplémentaires dans l'analyse des images.

Pour illustrer ceci, considérons les deux figurines ci-dessous. Seule la branche d'arbre désignée par les flèches semblent se mouvoir d'une image à l'autre alors que l'essentiel de l'image semble fixe compte tenu de la présence des reflets sur la surface de l'eau. Une application directe de la technique de la PIV conduirait à penser que les deux images sont quasiment fixes, donc que la vitesse de déplacement est quasiment nulle. L'oeil humain par contre fait très bien la distinction entre le reflet et le branche d'arbre et conclut donc à un déplacement significatif du flotteur entre les deux images, c'est à dire à une vitesse d'écoulement pas du tout nulle.

Ces difficultés inhérentes au milieu naturel nous ont donc conduit à la conception d'une nouvelle analyse d'images adaptée pour une utilisation en milieu naturel : la PIV sélective. Elle consiste:

A ce stade du calcul d'HyMAGE, la PIV sélective fournit un champ de déplacement de surface exprimé en pixels (i.e. en coordonnées images). Le calcul indispensable de la hauteur d'eau fait au préalable, permet alors d’exprimer ces distances pixels en distance mètres. Finalement, la connaissance de l'intervalle de temps séparant les deux prises de vues conduit à l'élaboration du champ de vitesses proprement dit en m/s.

L'association de ces deux mesures, hauteur d'eau et champ de vitesses d'écoulements en surface, permet d'obtenir des quantifications limnimétriques et vélocimétriques de manière non-intrusive, quelque soit l'état de la rivière et donc d'accéder à des informations inédites en crues par rapport aux techniques actuelles, intrusives et donc très vulnérables en périodes de hautes eaux.

Ces deux grandeurs sont les seules qui puissent être calculées à partir des images. Les autres grandeurs fournies par ce type de système de mesures sont extrapolées et déduites de ces deux valeurs.

e débit se calcule par l'intégration des vitesses d'écoulement à travers toute la surface de la section mouillée, c'est à dire selon la largeur et la profondeur :