Le LiDAR utilise le principe de télédétection laser par télémétrie. Il envoie une impulsion de lumière et mesure le temps que cette impulsion a mis pour revenir jusqu’au récepteur. En connaissant la vitesse de la lumière, le système peut ainsi calculer la distance parcourue par la lumière avant de heurter un (ou plusieurs) objets successivement. Seul une infime partie de l’énergie émise a besoin d’être récupérée par le récepteur pour réaliser ces calculs.

Le principe des échos multiples avec le Lidar drone

Les impulsions laser émises par un système LiDAR se réverbèrent sur les différentes surfaces : végétation, constructions, peintures, etc. Une impulsion laser envoyée est capable de revenir sur le LiDAR suite à plusieurs retours que l’on appelle alors échos. Ainsi toute impulsion laser émise qui rencontre de multiples surfaces de réflexion lorsqu’elle se déplace, est divisée en autant d’échos qu’il y a de surfaces réfléchissantes.

La première impulsion laser renvoyée est l’écho le plus significatif et souvent le plus fort et sera associée au point le plus élevée du paysage, par exemple : le sommet d’un arbre ou d’un immeuble. Ce premier écho peut également représenter directement le sol, auquel cas un seul retour sera détecté par le système lidar puisque le faisceau ne pénètrera pas plus loin dans des surfaces denses et solides comme du béton.

Les échos multiples sont capables de signaler l’élévations de plusieurs objets dans l’empreinte d’une seule impulsion laser sortante. Les échos intermédiaires sont en général utilisés pour caractériser la structure de la végétation, et le dernier écho pour les modèles de terrain dénudés. Le nombre d’échos que le LiDAR peut recueillir va dépendre de la puissance du signal du système utilisé, certains capteurs ne vont renvoyer que 2 échos, et d’autres jusqu’à 5 et plus.

Le dernier écho ne définira pas toujours le sol. Car lorsque par exemple une impulsion frappe une branche épaisse sur son chemin vers le sol et que le faisceau n’atteint pas réellement le sol, le dernier écho ne provient pas du sol mais de la branche qui reflète l’impulsion laser entièrement : d’ou l’intérêt d’avoir un LiDAR qui émet plusieurs centaines de milliers de points à la seconde.

La composition d’un LiDAR : un assemblage de capteurs de précision

Un LiDAR est composé de 4 éléments principaux :

• Un capteur laser actif : c’est la source qui émet les impulsions lasers et qui les envoie dans différentes directions. Le plus souvent ce capteur est composé d’une ou plusieurs sources qui vont envoyer des faisceaux de lumière concentrés sur un miroir en rotation pour couvrir 360°.
• Une centrale inertielle de précision : elle enregistre chacun des mouvements (roulis, tangage et lacet) en temps réel et avec une fréquence très élevée pour comprendre quelle est l’orientation, la direction et les mouvements ou vibration produits afin de pouvoir corriger la position des mesures acquises dans l’espace.
• Un système de positionnement GPS qui enregistre les information de position du capteur dans l’espace (en x, y et z) grâce à la récupération de données GNSS de précision qui seront par la suite couplées ou non avec une base au sol pour le positionnement en absolu du nuage de points.
• Un micro-ordinateur qui sert à récupérer, stocker et partager les données acquises. 

Avantages de la mesure LiDAR (ou lasergrammétrie) face à l’interprétation par photogrammétrie

L’intérêt du relevé lasergrammétrique est de réaliser directement de la mesure :

• chaque distance mesurée est connue avec une précision relative au laser émis et à la distance de l’objet
• d’y associer des données d’orientation grâce à la centrale inertielle de précision (qui lui permet de connaître l’orientation du faisceau envoyé et sa direction)
• et de le coupler avec un GPS de précision (pour connaître la position relative ou absolue de chacun des lasers émis par le système

L’agrégation de ces trois éléments fait que l’on est capable de maîtriser dans une certaine mesure la précision du relevé.

A l’inverse, la photogrammétrie est une technique de mesure par interprétation ; un ensemble d’images est analysé informatiquement pour repérer des points de concordances entre les images et positionner ces points dans l’espace en prenant compte de différents éléments comme la position et l’orientation des images ainsi que la couleur de chaque pixel.

L’approche est donc bien différente entre d’un côté de la mesure par laser avec le LiDAR et de l’autre de l’interprétation logicielle d’images pour la photogrammétrie.

Comment choisir le LiDAR adapté à son application

Chaque LiDAR drone a des caractéristiques internes liées à la puissance des lasers, leur nombre, l’information qu’il récolte ainsi que la centrale inertielle liée et le système de positionnement GNSS associé. Ainsi il n’y a aucune solution qui soit adaptée à toutes les situations, il faudra donc analyser les enjeux de vos projets afin de déterminer quel est l’outil le plus pertinent.

Escadrone, de part son rôle de distributeur de solutions, a pour mission de vous aider à cadrer votre besoin et cibler le LiDAR adéquat.

En général nous demandons à nos prospects de nous dire :

• Quel est le type d’environnement ou d’applications sur lesquels vous souhaitez effectuer des relevés : relevés de lignes, forêt dense, zone côtière, villes, suivi de lignes électriques, … (idéalement, vous pouvez nous donner directement les coordonnées des zones d’intervention souhaitée)
• Quel est l’objectif de la mission (déterminer l’évolution du relief dans le temps, analyser la végétation basse, prospecter une zone riche en vestiges archéologiques, identifier des zones de crues potentielles, …)
• Quelle est la précision souhaitée du relevé (de l’ordre de 5cm, de l’ordre de 10cm, 10 à 30cm, …)
• Quelle est la densité de points au m² souhaitée (100 points par m², 10 points par m², 1 point par m², …)
• Quel est le format de rendu souhaité ?
• Sur quels vecteurs souhaitez-vous pouvoir installer le LiDAR ? (Drone aérien, bateau, voiture, ULM, sac à dos, train, hélicoptère, …)

Les limites des Lidars

A l’heure actuelle les LiDARs apportent énormément d’avantages au milieu de la cartographie et des relevés de précision et notamment en zones boisées, néanmoins même les LiDARs ont des limites.

• Les surfaces réfléchissantes (eau, fenêtres) peuvent poser problème car le laser peut être réfléchi par la surface et ainsi générer des erreurs dans le positionnement de certains points. Sur l’eau, les données ne vont également pas être pertinentes dans la mesure ou le faisceau de lumière va subir une diffraction et nous n’aurons pas de résultats convaincants au delà de quelques centimètres sous l’eau.
• Les environnements très denses comme les forêts équatoriales dans lesquelles les LiDARs vont avoir du mal à pénétrer à cause de la densité de la végétation et de l’épaisseur des feuilles.
• La précision de la donnée : les LiDARs cumulent un certain nombre de capteurs pour déterminer la position de chaque point et cela amène une erreur cumulée incompressible que l’on va considérer comme du « bruit ». Il sera ainsi difficile de descendre en deçà de 1 à 2 cm d’erreur.