LIDAR

Image lidar du Marching Bear Mound Group, Effigy Mounds National Monument.

Station lidar Leica utilisée pour scanner des bâtiments, des formations rocheuses, etc. afin de générer des modèles 3D.

Un lidar ou lidar (acronyme de LiDAR , Light Detection and Ranging ou Laser Imaging Detection and Ranging ) est un dispositif qui permet de déterminer la distance entre un émetteur laser et un objet ou une surface à l'aide d'un faisceau laser pulsé . La distance à l'objet est déterminée en mesurant le délai entre l'émission de l'impulsion et sa détection à travers le signal réfléchi. En général, la technologie lidar a des applications en géologie , sismologie et physique atmosphérique . Son utilisation dans les véhicules, notamment autonomes, est également à l'étude.

Présentation

Le Lidar est un système qui permet d'obtenir un nuage de points de terrain en les captant à l'aide d'un scanner laser aéroporté ( airborne light scanner , ALS). Pour effectuer ce scan, deux mouvements sont combinés. Une longitudinale donnée par la trajectoire du plan et une autre transversale au moyen d'un miroir mobile qui dévie le faisceau de lumière laser émis par le scanner.

Pour connaître les coordonnées du nuage de points, la position du capteur et l'angle du miroir à chaque instant sont nécessaires. Pour cela, le système est épaulé par un système GPS différentiel et un système de navigation inertielle (INS). Connaissant ces données et la distance capteur-sol obtenue avec le télémètre , on obtient les coordonnées recherchées. Le résultat est des dizaines de milliers de points par seconde.

Les composants du lidar sont :

• Scanner laser aéroporté (ALS). Il émet des impulsions de lumière infrarouge qui sont utilisées pour déterminer la distance entre le capteur et le sol.
• GPS différentiel . Grâce à l'utilisation d'un récepteur sur l'avion et d'une ou plusieurs stations de contrôle au sol (à des points dont les coordonnées sont connues), la position et la hauteur de l'avion sont obtenues.
• Système de navigation inertielle (INS). Il nous informe des virages et de la trajectoire de l'avion.
• Caméra vidéo numérique (optionnelle), qui permet d'obtenir une image de la zone d'étude, qui servira à la meilleure interprétation des résultats. Cela peut être monté sur certains systèmes à côté de l'ALS.
• Milieu aérien. Il peut s'agir d'un avion ou d'un hélicoptère . Lorsque vous voulez donner la priorité à la productivité et que la zone est grande, l'avion est utilisé, et lorsque vous voulez une densité de points plus élevée, l'hélicoptère est utilisé, car il peut voler plus lentement et plus bas.

Les mesures obtenues par les trois composants principaux, ALS, GPS et IMU, sont prises avec le même horodatage selon le GPS. De cette façon, ils peuvent être facilement liés plus tard dans le calcul ultérieur.

Le système lidar obtient également les informations suivantes.

• Pour chaque impulsion émise, il peut capturer 2 échos ou plus. Cela nous permet de collecter des informations à différentes hauteurs. Par exemple, si nous survolons une zone boisée, le premier écho peut répondre à la cime des arbres et le dernier à la surface du sol.
• L'intensité réfléchie. Cela peut être très utile pour une classification ultérieure.

Classement

Par type de laser :

• lidar à impulsions. Le processus de mesure de la distance entre le capteur et le sol s'effectue en mesurant le temps qu'une impulsion met entre son émission et sa réception. L'émetteur fonctionne en émettant des impulsions lumineuses.

• Lidar de mesure de phase. Dans ce cas, l'émetteur émet un faisceau laser continu. Lorsqu'il reçoit le signal réfléchi, il mesure la différence de phase entre le signal émis et le signal réfléchi. Une fois celle-ci connue, il suffit de résoudre le nombre de longueurs d'onde entières qu'elle a parcourues (ambiguïtés).

Types de lidars.

Par type d'analyse :

• Lignes. Il possède un miroir rotatif qui dévie le faisceau laser. Produit des lignes parallèles au sol comme motif de balayage. Le principal inconvénient de ce système est qu'en tournant le miroir dans un sens on n'a pas toujours les mesures.

• Zig Zag. Dans ce cas, le miroir tourne dans deux sens (avant et arrière). Produit des lignes en zigzag comme motif de balayage. Il a l'avantage d'être toujours en mesure mais devant changer de sens de rotation, l'accélération du miroir varie en fonction de sa position. Cela signifie que dans les zones proches de la limite de balayage latéral (où le sens de rotation du miroir varie), la densité de points balayés est plus importante qu'au nadir.

• fibre optique Depuis la fibre centrale d'un câble à fibre optique et à l'aide de petits miroirs, le faisceau laser est dévié vers les fibres latérales montées autour de l'axe. Ce système produit une empreinte sous la forme d'une sorte de cercles qui se chevauchent. Comme les miroirs sont petits, la vitesse de collecte de données augmente par rapport aux autres systèmes mais l'angle de balayage (FOV) est plus faible.

• Elliptique (Palmer). Dans ce cas, le faisceau laser est dévié par deux miroirs qui produisent un motif de balayage elliptique. Comme avantages de la méthode, nous pouvons remarquer que le terrain est parfois balayé sous différentes perspectives, bien que le fait d'avoir deux miroirs augmente la difficulté en ayant deux mètres angulaires.

Candidatures

Sciences

Au ranch Skinwalker , LiDAR est utilisé pour détecter des énergies inconnues sur le ranch, des ovnis au rayonnement de fond micro-ondes ET bien sûr le rayonnement n'affecte pas du tout les panneaux de protection de la même unité de distance.

Topographie

Dans le domaine de l'arpentage , la mesure de distance au laser pour les applications de cartographie à grande échelle révolutionne la collecte numérique de données d'élévation de terrain. Cette technique est une alternative aux autres sources de collecte de données telles que le Modèle Numérique de Terrain (MNT). Il peut être utilisé comme source de données pour les processus de contournage et de génération de contours pour les orthophotos numériques .

Un système lidar émet des impulsions de lumière qui se reflètent sur le sol et d'autres objets d'une certaine hauteur. Les photons des impulsions réfléchies sont transformés en impulsions électriques et interprétés par un enregistreur de données à grande vitesse. La formule de la vitesse de la lumière étant bien connue, les intervalles de temps entre l'émission et la réception peuvent être facilement calculés. Ces intervalles sont transformés en distance à l'aide des informations de position obtenues des récepteurs GPS de l' avion /sol et de la centrale inertielle embarquée (IMU) qui enregistre en permanence l'altitude de l'avion.

Les systèmes lidar enregistrent les données de position (x,y) et d' élévation (z) à des intervalles prédéfinis. Les données résultantes se traduisent par un réseau très dense de points, généralement à des intervalles de 1 à 3 mètres. Les systèmes les plus sophistiqués fournissent des données non seulement du premier retour mais aussi des suivants, qui fournissent les hauteurs du terrain et de sa végétation. Les hauteurs de végétation peuvent servir de base à l'analyse des applications de différents types de végétation ou de la séparation des hauteurs.

Un avantage significatif de cette technologie par rapport aux autres est que les données peuvent être acquises dans des conditions atmosphériques que la photographie aérienne conventionnelle ne peut pas. Par exemple, la collecte de données peut être effectuée à partir d'un avion volant de nuit ou dans des conditions de visibilité réduite, comme celles qui se produisent par temps de brouillard ou nuageux.

Les produits photogrammétriques standard dérivés des données lidar comprennent des modèles de contour et d'élévation pour les orthophotos . Pour obtenir des contours précis, un post- traitement des données initiales est nécessaire. Étant donné que les données lidar sont obtenues sur des objets élevés (par exemple, des bâtiments), des algorithmes sophistiqués sont utilisés pour supprimer des points relatifs à ces objets. En raison de la forte densité de points, très peu de lignes de rupture , voire aucune, sont nécessaires pour représenter avec précision le terrain. Nonobstant la présence du système lidar et l'utilisation d' un logiciel de post-traitement , des procédures de validation devront être intégrées au processus pour s'assurer que les contours finaux sont représentatifs du terrain. L'utilisateur final doit également tenir compte du fait que les contours dérivés du lidar auront une apparence différente de ceux compilés à l'aide de techniques photogrammétriques conventionnelles. En raison de la densité des points obtenus, les contours dérivés du lidar, bien que très précis, auront tendance à avoir une apparence plus irrégulière.

Le post-traitement et la vérification 3D sont également recommandés lors de l'utilisation de données lidar pour la génération d' orthophotos numériques . Bien que les exigences de précision verticale pour la génération d'orthophotos soient moins strictes que pour la génération de contours, les données doivent être vérifiées pour les erreurs globales. Les points sur les bâtiments ne doivent pas nécessairement être supprimés. En effet, les bâtiments modélisés avec des données lidar seront redressés dans leur vraie position (véritable orthophoto) et les distorsions radiales causées par l'inclinaison des bâtiments seront supprimées. Cette amélioration est quelque peu affectée par le fait que les bords des bâtiments peuvent avoir tendance à paraître arrondis ; ceci en fonction de l'emplacement des points par rapport au bord du bâtiment.

Avec le post-traitement, les données suivantes peuvent être obtenues :

• Aspiration au niveau du sol
• enlèvement de bâtiment
• Extraction d'arbres et de peuplements forestiers
• Outils de nettoyage de terrain
• Création de vecteurs tridimensionnels
• Outil d'équerrage du bâtiment
• outil d'édition
• recadrage d'images

La précision des données obtenues à l'aide de la technique lidar dépend de :

• Le pouls.
• La hauteur de vol.
• Le diamètre du faisceau laser (dépendant du système)
• Qualité des données GPS/IMU et procédures de post-traitement.

Des précisions de 1 mètre dans les coordonnées de position et d'environ 15 cm dans la coordonnée de hauteur peuvent être atteintes, si les conditions dans lesquelles les mesures sont effectuées sont optimales. Cependant, pour toute application à grande échelle nécessitant une grande précision, les données obtenues devront être comparées à d'autres techniques. Les points obtenus (avec leurs coordonnées tridimensionnelles) sont généralement superposés sur des images numériques. Pour ce faire, des stations photogrammétriques numériques sont utilisées.

Formats de fichiers

La plupart des systèmes et applications lidar fonctionnent avec le même format, le format LAS , dont la spécification a été développée par l' American Society for Photogrammetry & Remote Sensing (ASPRS), et qui est devenu un standard de facto pour travailler avec les données.

LAS est un format de fichier public qui permet l'échange de fichiers contenant des informations de nuage de points en trois dimensions. Le format LAS est un fichier binaire qui conserve toutes les informations du système lidar et les préserve en fonction de la nature des données et du système de capture. ]

Détection de vitesse

C'est la technologie utilisée par les pistolets laser de la police pour déterminer la vitesse des véhicules circulant dans le trafic routier. Il diffère du radar en ce qu'au lieu d'utiliser des ondes radio, un faisceau de lumière laser pulsé est utilisé dans la bande infrarouge avec une fréquence d'impulsion de 33 MHz et une longueur d'onde de 904 nm.

Les avantages du lidar par rapport au radar sont multiples :

• C'est beaucoup plus rapide. Dans des circonstances normales, vous pouvez obtenir la vitesse du véhicule en seulement 3 dixièmes de seconde.
• Parce qu'il émet un faisceau de lumière laser, le faisceau ne diverge pas autant et est beaucoup plus étroit que le faisceau radar, qui se propage et rebondit sur l'environnement. Le faisceau laser forme un cône très étroit. À environ 500 mètres, il a une largeur d'environ 2,5 mètres de diamètre, avec laquelle le canon peut viser un véhicule spécifique et déterminer sa vitesse même s'il y a plus de voitures qui circulent autour de lui. Il peut donc être utilisé en circulation dense en ciblant les véhicules de choix. De plus, en raison de ce mode de fonctionnement et de sa rapidité, la détection à l'aide de détecteurs installés dans des véhicules éclairés par le faisceau est assez inefficace, car au moment où le détecteur avertit de la présence du laser, il est trop tard, car le pistolet est déjà a enregistré votre vitesse.
• Il est plus facile à manipuler, à transporter et à entretenir.
• C'est moins cher qu'un radar.
• Il peut fonctionner, comme le radar, la nuit, sous la pluie, depuis des ponts, dans des véhicules en stationnement, en mode automatique ou manuel, etc.
• La seule limitation du laser lidar est qu'il doit toujours être stationnaire. Le radar peut être utilisé en déplacement, mais le laser lidar ne peut pas être déplacé pendant la prise de mesure.

Optique

Un PHASEUR utilisé à la Gamme Optique Starfire pour des expériences lidar et étoile guide laser (création d'une étoile virtuelle) et accordé sur la raie D2 du sodium . Utilisé pour exciter les atomes de sodium dans les couches supérieures de l' atmosphère . PHASOR est l'acronyme de Frequency Addition Source of Optical Radiation . Dans ce système, il y a deux lasers à semi-conducteurs dans la région infrarouge de mode unique et de fréquence et de longueurs d'onde de 1064 et 1319 microns , respectivement. Ces fréquences sont additionnées dans un cristal LBO à l'intérieur d'une double cavité résonnante.

L' optique adaptative est une technique qui permet de corriger les perturbations les plus importantes subies par les images astronomiques dues à l' atmosphère terrestre . Avec ce système, il est possible d'obtenir des images plus nettes, ou comme l'expliquent les astronomes, avec une meilleure résolution spatiale. La différence que cette technique introduit est comparable à celle entre regarder un objet situé au fond d'une piscine avec de l'eau ou sans eau.

L'importance pour la recherche astronomique parle du fait que tous les télescopes ou observatoires dotés de télescopes de plus de 4 mètres ont développé ou développent des systèmes d'optique adaptative adaptés à leurs besoins.

Les possibilités qu'offre l'optique adaptative à l'astronomie sont spectaculaires. Supprimer les perturbations atmosphériques équivaut essentiellement à observer depuis l'espace.

Les perturbations atmosphériques entraînent une perte de netteté ou de résolution spatiale. Cette perte se traduit, d'une part, par une diminution de la capacité à résoudre les objets, c'est-à-dire à réaliser des études détaillées de leur morphologie. D'autre part, cela influence également la capacité à détecter des objets faibles, car l'image est dispersée dans des points lumineux plus grands.

L'amélioration introduite par l'optique adaptative peut être quantifiée en utilisant le rapport de la taille du télescope à la taille de la meilleure image qu'il peut obtenir. Le pouvoir de détection d'un télescope augmente avec le diamètre de son miroir primaire et diminue avec la taille de l'image qu'il forme d'un objet ponctuel (d'où l'importance de la qualité d'image dans un télescope). Donc, la différence avec le même miroir de 10 mètres, entre pouvoir focaliser des images de 0,4 seconde d'arc (ce qui est possible une nuit avec une excellente visibilité) et une image de 0,04 seconde d'arc, ce qui devrait être possible avec une optique adaptative système équivaudrait à avoir un miroir primaire de 100 mètres. Par conséquent, comme nous l'avons dit au début, la plupart des observatoires et télescopes importants ont déjà leur propre système d'optique adaptative ou y travaillent.

L'optique adaptative est une technologie qui permet de déterminer et de corriger une grande partie des aberrations avec lesquelles arrive le front d'onde des objets observés. Le front d'onde est l'enveloppe géométrique de tous les rayons lumineux issus d'un objet lumineux en même temps. Lorsque l'origine de la lumière est un point, le front d'onde est sphérique ; mais s'il est suffisamment éloigné, comme dans le cas des étoiles, ce front est pratiquement plat.

Dans un système d'optique adaptative, le front d'onde, perturbé par l'atmosphère, est d'abord analysé par un capteur de front d'onde , qui détermine ses aberrations . Cette information est transmise au reconstructeur de phase 14 , qui calcule les corrections à apporter et les déformations à adopter par le miroir déformable pour compenser les aberrations d'origine du front d'onde.

Avec le « sensing » du front d'onde, il s'agit de mesurer les aberrations introduites par la colonne d'atmosphère traversée par la lumière provenant de l'objet astronomique. Normalement, les objets à étudier sont très peu lumineux, la mesure des perturbations du front d'onde doit donc être faite avec une étoile brillante proche de l'objet d'intérêt afin que la lumière de cette étoile de référence traverse approximativement la même colonne d'atmosphère que l'objet. Cependant, il n'est pas toujours possible de trouver des étoiles suffisamment proches de l'objet astronomique d'intérêt et suffisamment brillantes pour être utilisées pour mesurer le front d'onde.

La solution qui a été trouvée à ce problème consiste en la production d'étoiles artificielles au moyen de l'excitation par un faisceau laser de la couche de sodium existant dans les couches supérieures de l'atmosphère. Cela nécessite l'utilisation de lasers de forte puissance et est une technique encore en plein développement.

Gestion forestière

En lutte contre l' incendie , la disponibilité d'un modèle précis du type de combustible présent en chaque point du terrain est essentielle pour pouvoir prédire avec précision le comportement du feu et ainsi pouvoir prendre des décisions sur les techniques d'attaque à utiliser ou sur les moyens nécessaires pour lutter contre l'incendie. ]

Grâce au lidar, il est possible de générer une carte précise des modèles de combustible basée sur les informations verticales capturées par les mesures du lidar. De plus, il est possible d'améliorer encore la précision en combinant les données capturées par le lidar avec les données obtenues par d'autres moyens, comme des images multispectrales. ]

En tenant compte des valeurs de hauteur fournies par le lidar et de la distribution verticale des combustibles, capturées par la position relative dans différents intervalles de hauteur de groupes de mesures dans le nuage de points, il est possible de déterminer à la fois la quantité de biomasse présente et la genre de ceci. ]

Géologie et sciences du sol

L'apparition de la technologie lidar a signifié une grande avancée dans l'étude de la terre. Grâce aux modèles numériques d'élévation à haute résolution obtenus à l'aide de cette technique, elle peut être appliquée dans divers domaines de la géologie .

La possibilité d'obtenir des modèles de structures topographiques en détail : canaux fluviaux, terrasses, entre autres, a favorisé et facilité l'étude des processus physiques et chimiques de la surface terrestre ; interférence des agents atmosphériques, caractérisation et genèse des reliefs, processus d'érosion et d'altération...

Cette technique a réussi à s'imposer comme un outil fondamental pour la détection, la surveillance et l'étude des défauts. Avec des modèles numériques 3D, il permet d'obtenir l'avant et l'après d'un mouvement de plaque, de pouvoir effectuer des mesures précises, clé pour comprendre comment se produisent ces phénomènes naturels.

Parmi d'autres applications géologiques, il convient de mentionner la surveillance des glaciers (pour évaluer le recul des glaciers et sa relation avec les changements du cycle hydrologique), l'analyse du changement côtier, le mouvement des plaques tectoniques, les éruptions volcaniques, les glissements de terrain...

Mécanique des roches

Le lidar est largement utilisé en mécanique des roches pour la caractérisation des massifs rocheux et la détection des changements de pente. Certaines des propriétés de la masse rocheuse qui peuvent être extraites des nuages ​​de points 3D acquis par LiDAR sont :

1. Orientation des discontinuités ]
2. Espacement de discontinuité et RQD ]
3. Ouverture de discontinuités
4. Persistance des discontinuités ]
5. Rugosité des discontinuités ]
6. Fuite d'eau

Certaines de ces propriétés ont été utilisées dans la caractérisation des massifs rocheux par RMR . De plus, puisque l'orientation des discontinuités peut être déterminée à partir des données LiDAR, il est également possible d'obtenir la qualité géomécanique des pentes rocheuses à l'aide du SMR . Enfin, la comparaison de différents nuages ​​de points 3D d'une pente acquis à différents instants permet aux chercheurs d'étudier les changements produits dans la scène au cours de l'intervalle de temps étudié dus au développement d'éboulements ou d'autres processus gravitationnels.

Autres applications

En physique de l'atmosphère , grâce à l'utilisation d'instruments lidar, il est possible de mesurer les densités de certains constituants de l'atmosphère ( aérosols , nuages , potassium , sodium , oxygène et azote moléculaires , etc.). Grâce à la technologie la plus avancée, il est possible de calculer des profils de température ou de mesurer la structure du vent.

Alors que les constructeurs automobiles et les acteurs technologiques se bousculent pour développer des véhicules autonomes, le lidar est devenu une technologie très convoitée. L'inconvénient de ces capteurs est leur prix (ils peuvent coûter des dizaines de milliers de dollars ). De nouveaux développements visent à avoir un capteur lidar sur une puce plus petite qu'un grain de riz. Cette évolution ne vise pas à remplacer les capteurs actuels, mais à coexister avec eux, car si un capteur lidar apporte une précision à longue portée, le lidar à semi-conducteurs serait destiné à la détection à courte distance, en se concentrant sur des détails qui passent parfois inaperçus. Des études récentes ont montré que l'utilisation du lidar avec des techniques d'intelligence artificielle peut offrir des solutions aux défis de la conduite autonome. ]

Bibliographie complémentaire

• Gil, Emilio ; Llorens, Jordi; Llop, Jordi ; Fabregas, Xavier; Gallart, Montserrat (2013). " Utilisation d'un Capteur LIDAR Terrestre pour la Détection de Dérive en Arrosage Vignoble ". Capteurs . 13 (1): 516–534. doi :10.3390/s130100516. ISSN  1424-8220. PMC  3574688. PMID  23282583.
• Héritage, E. (2011). Numérisation laser 3D pour le patrimoine. Conseils et orientations aux utilisateurs sur le balayage laser en archéologie et architecture. Disponible sur www.english-heritage.org.uk. Numérisation laser 3D pour le patrimoine | Angleterre historique
• Héritage, G., & Large, A. (Eds.). (2009). Numérisation laser pour les sciences de l'environnement. John Wiley et fils. ISBN  1-4051-5717-8
• Maltamo, M., Næsset, E., & Vauhkonen, J. (2014). Applications forestières du balayage laser aéroporté : concepts et études de cas (Vol. 27). Springer Science et médias d'affaires. ISBN  94-017-8662-3
• Shan, J., & Toth, C.K. (Eds.). (2008). Télémétrie et balayage laser topographiques : principes et traitement. CRCpress. ISBN  1-4200-5142-3
• Vosselman, G., & Maas, HG (Eds.). (2010). Balayage laser aéroporté et terrestre. Éditions Whittles. ISBN  1-4398-2798-2