Construire un jumeau numerique des forets du Quebec a partir de 115 000 orthophotos

Le socle avant tout le reste

Un jumeau numerique territorial repose sur ses donnees. Fusionner des milliers de feuilles d'orthophotos heterogenes, absorber des projections cartographiques incompatibles, combler les trous de couverture, harmoniser les couleurs entre capteurs et millesimes. C'est le travail le moins visible mais le plus structurant. Tant que cette base n'est pas solide, rien de ce qui suit (rendu 3D, navigation multi-echelle, analyse territoriale) ne tient.

Ce billet fait le point sur cette etape, appliquee au territoire quebecois.

Ou nous en sommes aujourd'hui

Le pipeline TerraLab : une seule scene, toutes les sources

TerraLab-Twin est un virtual globe planetaire. Son role est de fusionner en temps reel des sources geospatiales heterogenes (orthophotos publiques, orthos drone a haute resolution, modeles numeriques de terrain, couches vectorielles, imagerie satellite) sur un seul terrain 3D navigable, du planetaire a la parcelle.

Trois proprietes definissent l'etat de l'art que nous visons :

• Continuite d'echelle : du Quebec entier (10 000 km de diagonale) jusqu'a une parcelle de 50 m, sans rupture, sans changement de referentiel, sans coupures aux frontieres administratives.
• Fusion multi-source dynamique : plusieurs sources de qualite et de resolution differentes coexistent sur le meme terrain et sont selectionnees a la volee selon la zone, la resolution demandee et la disponibilite.
• Abstraction complete en amont : l'utilisateur final ne voit jamais un format de fichier, un code EPSG ou une zone MTM. Il navigue.

Tout le travail decrit ci-dessous consiste a honorer ces trois proprietes sur un cas concret : le territoire quebecois.

Tuiles MRNF fusionnees par TerraLab WorldMapServer. Terrain continu, sans coutures visibles.

Ce qui rend les donnees du Quebec uniques

Le Quebec offre l'un des jeux de donnees publiques les plus riches d'Amerique du Nord pour ce genre d'exercice. Le ministere quebecois des Ressources naturelles et des Forets (MRNF, anciennement MERN) diffuse plus de 115 000 feuilles d'orthophotos, plusieurs centaines de gigaoctets de donnees au total, a une resolution native de 20 a 30 cm par pixel. C'est environ trente fois plus fin que l'imagerie satellite Sentinel-2 utilisee en complement.

Ortho MRNF a resolution native (20-30 cm) sur un secteur forestier quebecois.

Cette richesse vient avec ses propres defis : une famille de projections heterogene, plusieurs formats de fichier, des prises de vue etalees sur plusieurs annees et plusieurs saisons. C'est precisement le type de jeu de donnees pour lequel un virtual globe est concu, la ou un outil SIG classique demande a l'utilisateur de choisir une projection, une saison, un format, et de vivre avec les consequences.

Et nous savons gerer cette echelle. Les 115 000 feuilles, les centaines de gigaoctets, les formats varies, le multi-millesime : l'architecture TerraLab-Twin est concue pour encaisser cette volumetrie nativement, sur une machine de developpeur, sans demander d'infrastructure exceptionnelle.

Feuille MRNF originale a 20 cm. Arbres, routes et parcelles visibles avant tout traitement.

Le sujet qui fait mal : les projections

Je veux m'arreter une minute sur ce point, parce que c'est un sujet qui, pour quiconque a travaille en geospatial, releve du cauchemar operationnel.

Les donnees publiques quebecoises n'arrivent pas dans une projection unique. Elles forment une famille NAD83 : une variante du Quebec Lambert (l'EPSG:32198), des variantes plus modernes en referentiel CSRS, et dix zones MTM (Modified Transverse Mercator) qui decoupent le territoire pour des raisons cartographiques historiques. Concretement, chaque feuille peut arriver dans un systeme different. Chaque datum a ses pieges. Chaque outil de la chaine geospatiale a ses propres comportements herites sur la base PROJ. Il est extremement courant, en production, de voir un pipeline planter en silence parce qu'une installation obsolete renvoie des transformations fausses d'une dizaine de metres.

C'est precisement ce qu'un virtual globe abstrait. TerraLab-Twin ne connait qu'une seule projection finale : WGS84 sur l'ellipsoide planetaire. Toute la complexite projective est absorbee en amont, dans le pipeline d'ingestion. L'utilisateur final ne voit jamais un EPSG. Il voit un territoire 3D continu et navigable, du Quebec entier a la parcelle forestiere, sans que rien ne craque aux frontieres de zones.

Une fois ce point dur absorbe, tout le reste devient possible : fusion multi-source, navigation continue, 3D temps reel.

Outil interne de tuilage : chaque source est reprojetee en WGS84, puis composee dans la scene 3D.

Pourquoi WGS84 dans un virtual globe, et pourquoi c'est utile

Le choix de WGS84 sur l'ellipsoide n'est pas arbitraire. Une projection cartographique classique est, par construction, un compromis : elle ecrase un objet 3D (l'ellipsoide terrestre) sur un plan 2D, ce qui introduit toujours une distorsion (d'angles, de surfaces, de distances, ou des trois a la fois). Acceptable a petite echelle, intolerable a l'echelle continentale.

Un virtual globe contourne le probleme en gardant la 3D jusqu'au bout. Le moteur travaille sur l'ellipsoide reel, pas sur une projection plane. Consequence directe pour l'utilisateur : on peut zoomer librement du Quebec entier jusqu'a une parcelle de 50 m, sans changer de referentiel, sans coupures aux frontieres de zones MTM, sans etirements aux poles, sans recalages de jointures. C'est ce qui rend la navigation continue, et c'est ce qu'aucun outil SIG 2D classique ne peut offrir.

Colorimetrie et fusion : le defi du visuel

Une fois les projections gerees, le defi suivant est visuel. Un jumeau numerique 3D du Quebec ne fusionne pas une, mais trois sources d'imagerie complementaires :

1. L'ortho aerienne MRNF : priorite 1, 20-30 cm, le detail
2. L'imagerie satellite Sentinel-2 : priorite 2, 10 m, comble les zones sans ortho aerienne (typiquement les facades cotieres)
3. Un fond planetaire Blue Marble : fallback ultime, garantit qu'aucune zone n'est jamais vide

Ces trois sources ont chacune leur signature colorimetrique : capteurs differents, conditions d'acquisition differentes, dates de prise de vue differentes, traitements amont differents. Le defi n'est pas seulement de les afficher ensemble, mais de faire en sorte que les frontieres restent invisibles a l'oeil et que les tuiles voisines partagent la meme plage colorimetrique.

Certaines feuilles MRNF sont egalement incompletes : au bord des campagnes de vol, la couverture aerienne s'arrete en plein milieu d'une tuile, laissant des zones sans donnee (nodata). Sans traitement, ces trous apparaissent comme des bandes noires dans le terrain 3D. C'est une raison supplementaire pour laquelle le pipeline doit fusionner plusieurs sources : combler ces lacunes avec Sentinel-2 la ou l'ortho aerienne fait defaut.

Feuille MRNF avec couverture partielle. Le pipeline comble les lacunes avec Sentinel-2.

Cote Sentinel-2, nous fusionnons par mediane multi-date sur une plage de reflectance fixe : cela gomme les outliers (nuages, ombres, jours atypiques) et garantit que toutes les tuiles partagent la meme calibration.

Cote Quebec, certaines campagnes anciennes (notamment 2015) presentent une dominante bleutee systematique. L'origine exacte du defaut n'est pas documentee par le fournisseur, mais le ratio bleu/rouge anormalement eleve (B/R ~1.30 contre ~0.88 pour les campagnes normales) affecte une large part des feuilles de cette annee. Le pipeline filtre par saison (prises de vue d'ete pour des tons verts coherents), mais le probleme reste entier pour les zones ou seules les feuilles 2015 existent.

Plusieurs pistes sont envisageables pour ces zones : correction colorimetrique automatique (histogram matching entre tuiles voisines), ou remplacement par de l'imagerie satellite (Sentinel-2 en premier recours, gratuit a 10 m, ou des sources commerciales comme Airbus Pleiades et Maxar pour une resolution plus fine, mais a un cout significatif). Aucune de ces options n'est ideale seule. La combinaison la plus probable est un filtrage par millesime couple a un fallback Sentinel-2 pour les zones sans alternative. Point positif : le MRNF continue de publier regulierement de nouvelles campagnes aeriennes (des orthophotos 2023 et 2024 sont deja disponibles en donnees ouvertes pour certaines regions). Au fil du temps, les zones couvertes uniquement par des feuilles 2015 defectueuses ont de bonnes chances d'etre remplacees par des acquisitions plus recentes et mieux calibrees.

Haut : MRNF 2015 avec dominante bleutee (B/R ~1.30). Bas : 2016, colorimetrie normale (B/R ~0.88).

Tuiles 2015 bleutees a cote de tuiles normales : patchwork visible cassant l'homogeneite.

A la frontiere entre les sources Quebec et Sentinel-2, la transition geometrique est imperceptible. La transition colorimetrique, elle, reste visible dans certaines zones cotieres. C'est un compromis assume : un blending au pixel pres sur des centaines de kilometres de cote represente un cout de traitement disproportionne par rapport au gain visuel, surtout a l'echelle de navigation typique du jumeau numerique. Le pipeline priorise la couverture et la continuite plutot que la perfection cosmetique sur les marges.

Haut : Sentinel-2 seul. Bas : fusion Quebec + Sentinel-2. Zone de blending visible sur le littoral.

Le pipeline integre une etape de color matching qui attenue ces transitions. L'exemple ci-dessous sur la region de Riviere-du-Loup montre la difference : sans color matching, la frontiere entre l'ortho Quebec et Sentinel-2 est nettement visible. Avec color matching, la transition devient beaucoup plus discrete.

Riviere-du-Loup. Haut : sans color matching. Bas : avec color matching.

Gaspesie, vue large. Zone cyan (gauche) = tuiles 2015 bleutees, continent = ortho Quebec, ocean = Sentinel-2.

Bilan

Au 7 avril 2026, nous sommes sur la bonne voie. La famille NAD83 est absorbee en amont, le pipeline d'ingestion traite progressivement les ~115 000 feuilles MRNF. La couverture du territoire est partielle a ce stade : les zones deja traitees (par exemple la Gaspesie) sont navigables avec l'ortho Quebec, les autres zones sont remplies par Sentinel-2 en attendant. Le compositing trois couches a ete valide sur la cote gaspesienne, et la volumetrie tient sur une simple machine de developpeur.

Le moteur sort actuellement a 10 m par pixel. C'est un choix delibere pour cette premiere iteration : travailler d'abord a l'echelle globale permet de valider l'ensemble du pipeline (projections, fusion, colorimetrie, volumetrie) avant de descendre en resolution zone par zone. Les donnees sources MRNF a 20-30 cm sont la, le raffinement vers le 30 cm se fera au cas par cas, en fonction des besoins.

Cote relief, le terrain 3D repose sur un modele numerique d'elevation SRTM (Shuttle Radar Topography Mission). Ce n'est pas la source la plus fine disponible, mais elle couvre l'ensemble du territoire et permet de valider la chaine complete. Un passage vers des MNT quebecois plus precis est envisageable pour les zones prioritaires.

Voici le resultat actuel : l'ortho Quebec a 10 m plaquee sur le relief SRTM, sans vegetation 3D ni donnees vectorielles. C'est le socle terrain brut, la fondation sur laquelle tout le reste viendra se poser.

Premieres vues 3D du Quebec. Ortho 10 m + relief SRTM. De haut en bas : diffusion atmospherique, eclairage direct, sans eclairage.

Un constat important : la qualite du rendu ne peut pas depasser la qualite des donnees sources. La ou les donnees MRNF sont propres et correctement calibrees (campagnes post-2015), le resultat est excellent. La ou elles souffrent de defauts (campagnes 2015 bleutees), le pipeline ne peut pas inventer une colorimetrie correcte.

Ce qui est en place aujourd'hui :

• Ortho aerienne Quebec (MRNF) fusionnee avec Sentinel-2
• Relief 3D via SRTM
• Pipeline complet valide sur la cote gaspesienne

Prochaines etapes :

• Resolution 20-30 cm en zoom rapproche
• Donnees vectorielles OSM Quebec
• Arbres 3D sur le territoire quebecois