LiDAR et intérêts en SIG


https://www.geodunes.fr/donnees-topographiques-lidar-du-projet-clarec-en-ligne/

 

LiDAR signifie Light Detection And Ranging (détection et télémétrie par ondes lumineuses) ; c’est une méthode de relevé de points par lumière laser apparue dans les années 1950 – 1960. Différents types de LiDAR existent : LiDAR atmosphérique, LiDAR topographique, LiDAR bathymétrique. Ces différents types de LiDAR sont « rangés » dans deux catégories : les LiDARs recherche (études atmosphériques, travaux sur les cycles du système terrestre…) et les LiDARs service qui sont utilisés pour des applications concrètes (relevés de surface, ingénierie, topographie…).

Le LiDAR terrestre est généralement utilisé dans le cadre de systèmes mobiles : LiDAR montés sur véhicules automobiles, aériens (avion ou hélicoptère) ou sur « véhicules ferroviaires » (ou plus rarement sur bateau). Un système LiDAR est donc composé d’un scanner laser, d’un récepteur GNSS et, dans le cas de systèmes mobiles, du véhicule porteur du système et d’une centrale inertielle (qui va mesurer le tangage, le roulis et les variations de vitesse du système porteur). La longueur d’onde utilisée varie entre 0,3 et 12 µm selon les applications. Le scanner est formé d’un émetteur et d’un récepteur (télescope équipé d’un photo-détecteur et d’un système de conversion analogique – numérique).

Il existe deux types de LiDAR topographique :

– Le LiDAR aéroporté permet de relever la surface du sol et des eaux (pour des usages en gestion forestière, géomorphologie, hydrologie, urbanisme…) grâce à une onde infrarouge (entre 800 et 1200 nm). Couplé avec un laser vert (environ 500 nm), ce LiDAR permet également de relever les fonds marins (profondeur des eaux et objets situés sur les fonds sous-marins.

– Le LiDAR terrestre, s’il est mobile, est surtout utilisé pour la numérisation d’infrastructures routières, de réseaux filaires aériens ou d’éléments d’aménagements urbains. En mode statique, il est utilisé pour l’exploitation minière, l’arpentage et de plus en plus en archéologie.

L’émetteur envoie une onde lumineuse : une impulsion de quelques femto-secondes à 100fs. Ces ondes ont une fréquence comprise entre quelques kHz et plusieurs THz. Cette onde va se réfléchir sur toute surface située entre l’émetteur et le sol et cette onde réfléchie va donc revenir au récepteur. Il y aura autant de retours de l’onde qu’il y aura de surfaces réflectrices entre l’appareil et le sol.

« Il suffit » ensuite de mesurer le temps aller-retour de l’onde (différence entre émission et réception) afin de déterminer la distance entre le système et la surface relevée :

𝛥𝑡 = 𝑡𝑟é𝑐𝑒𝑝𝑡𝑖𝑜𝑛 − 𝑡é𝑚𝑖𝑠𝑠𝑖𝑜𝑛 et c, la célérité (3.108 m.s -1)

𝑐 = 𝑑𝐴𝑅 / 𝛥𝑡        =>          𝑑𝐴𝑅 = 𝑐 × 𝛥𝑡        =>          𝑑𝑠𝑦𝑠𝑡è𝑚𝑒−𝑜𝑏𝑗𝑒𝑡 = 𝑐 / 2 × 𝛥𝑡

Ce calcul de distance, couplé avec de très courtes impulsions, permet d’obtenir une précision de l’ordre du centimètre, ce qui fait du LiDAR un instrument de plus en plus utilisé. De plus, son indépendance à la luminosité permet une utilisation aussi bien de jour comme de nuit.

En revanche, le coût d’un LiDAR est un frein d’autant plus que le système seul ne suffit pas : il faut également le système porteur (le cas échéant), les logiciels adaptés et les personnels aptes à s’en servir et à en analyser les données. Le deuxième inconvénient concerne les limites d’utilisation liées aux conditions atmosphériques, météorologiques et environnementales de la zone d’acquisition.

Il est apparu récemment que les SIG peuvent permettre l’intégration de données 3D. Les données LiDAR traitées sont des rendus 3D : nuages de points, vues immersives, MNS, etc. Certains domaines tels que l’archéologie, l’architecture patrimoniale, l’industrie, la géologie nécessitent souvent des informations géographiques aussi bien en coordonnées planimétriques qu’altimétriques.

La réalité virtuelle est dans un tel essor de nos jours que les sites patrimoniaux se dotent de SIG 3D destinés au grand public (système en cours de réalisation et perfectionnement à l’Établissement Public du domaine et château de Versailles).

Il apparaît donc que les systèmes LiDAR, dotés d’une vitesse d’acquisition cinquante fois supérieure aux acquisitions topographiques « classiques » et d’un temps de calcul dix fois plus rapide, permettent d’enrichir un SIG d’informations altimétriques mais aussi de doter ce dernier d’une vision tridimensionnelle de plus en plus demandée de nos jours.

 

DU CHAPELET M., FANG Z., GAUTIER Q. et al. LiDAR. Etat de l’art, application en perception de l’environnement pour le véhicule autonome. INSA RAPPORT P6_2017_03 [en ligne]. INSA Rouen, 2017. Disponible sur : https://moodle.insa-rouen.fr/pluginfile.php/75927/mod_folder/content/0/Rapport_P6_2017_03.pdf?forcedownload=1 (consulté le 12.07.2019)

FLAMANT P.H., Le Lidar : une technique de sondage laser pour l’environnement. [En ligne]. Laboratoire de Météorologie Dynamique, École Polytechnique de Palaiseau. Disponible sur : https://www.obs-mip.fr/actualites/Agenda/flamant_soiree (consulté le 12.07.2019)

http://www.umr-cnrm.fr/ecole_lidar/spip.php?article12

http://cours-fad-public.ensg.eu/course/view.php?id=113

Laure Nuninger, Krištof Oštir, Ziga Kokalj, Ales Marsetic. Lidor. Acquisition, traitement et analyse d’images LiDAR pour la modélisation des paléo-reliefs de la plaine littorale du Languedoc oriental..Rapport d’ATIP Jeune Chercheur (CNRS). 2008, pp.95. <halshs-00483129>

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