LiDAR : le système de mesure par télédétection laser

Le LiDAR (Light Detection And Ranging, soit : système de mesure par détection laser) est un outil puissant pour la cartographie et la modélisation d’environnements complexes.

Escadrone propose un ensemble de systèmes LiDARs qu’il est possible d’embarquer sur des drones aériens ou bien maritimes et terrestres tout autant que sur d’autres véhicules comme des voitures ou trains par exemple

Scout 16

le LiDAR Escadrone avec le capteur vlp 16 velodyne

Portée : 40-50m

Points/seconde : 300k

Nombre d’échos : 2

Précision : 5-10cm

Scout 32

le LiDAR Escadrone avec le capteur hdl-32e velodyne

Portée : 50-65m

Points/seconde : 700k

Nombre d’échos : 2

Précision : 3-5cm

Scout Ultra

le LiDAR Escadrone avec le capteur vlp 16 velodyne

Portée : 80-100m

Points/seconde : 600k

Nombre d’échos : 2

Précision : 5-10cm

Mini Ranger

le LiDAR Escadrone avec le capteur miniVUX-1UAV de Riegl

Portée : 250m

Points/seconde : 100k

Nombre d’échos : 5+

Précision : 1-2cm

Ranger

le LiDAR Escadrone avec le capteur VUX-1UAV de Riegl

Portée : 300+m

Points/seconde : 300k

Nombre d’échos : 5+

Précision : 1-2cm

Escadrone est le distributeur Français de Phoenix LiDAR (basée à Los Angeles), nous assurons ainsi les ventes de tous les LiDARs auprès des pays Francophones et cela sans frais supplémentaires pour l’acheteur

Qu‘est-ce qu’un LiDAR ?

un LiDAR c’est un outil qui émet des lasers (faisceaux de lumière très concentrés) dans différentes directions autour de lui pour mesurer des distances par télémétrie. La distance de chaque laser envoyé sur les objets et obstacles qui l’entourent est ensuite couplé avec l’orientation et l’orientation du LiDAR pour pouvoir positionner chaque point relevé dans un espace en 3 dimensions. Comme le LiDAR est capable d’envoyer un grand nombre de faisceaux laser par seconde, celui-ci créé un nuage de points 3D dense très rapidement.

Comment le LiDAR effectue des mesures

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 (environ 299 800 km s?1), le système peut ainsi calculer la distance qui a été 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 de fonctionnement d'un lidar

Le principe des échos multiples avec les LiDARs

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 à la caractéristique la plus élevée dans le 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 les 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°. A l’heure actuelle les 2 leaders mondiaux dans la fabrication de capteurs sont Riegl et Velodyne.
  • 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. Dans notre cas, les LiDARs proposés par Escadrone sont capables de transmettre en direct au sol les données acquises pour avoir une visualisation en live de l’acquisition de données.
les composants d'un lidar de cartographie

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

L’intérêt du relevé LiDAR et donc de la lasergrammétrie c’est de réaliser directement de la mesure :

  • chaque distance mesurée est connue avec une certaine précision, qui est relative au laser émis et relative 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 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, même les LiDARs Riegl (qui ont 5 échos) 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 avec les systèmes présentés.