Qu’est-ce que la Détection et la Télémétrie de la Lumière (LiDAR)?
Comment aimeriez-vous agiter votre baguette magique et tout d’un coup savoir à quelle distance tout est loin de vous?
Aucune baguette magique n’était nécessaire. C’est ainsi que fonctionne le LiDAR (Détection et télémétrie de la Lumière). Bien sûr, sans la baguette magique!
Démystifions la détection et la télémétrie de la lumière. Espérons qu’après avoir lu ceci, vous passerez de zéro à un héros LiDAR.
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LiDAR 101
Le LiDAR est fondamentalement une technologie de distance. Depuis un avion ou un hélicoptère, les systèmes LiDAR envoient de la lumière au sol.
Cette impulsion frappe le sol et retourne au capteur. Ensuite, il mesure le temps nécessaire pour que la lumière revienne au capteur.
En enregistrant le temps de retour, voici comment le LiDAR mesure la distance. En fait, c’est aussi ainsi que le LiDAR tire son nom – Détection et télémétrie de la lumière.
Fonctionnement du LiDAR
Le LiDAR est un outil d’échantillonnage. Ce que je veux dire par là, c’est qu’il envoie plus de 160 000 impulsions par seconde. Pour chaque seconde, chaque pixel de 1 mètre reçoit environ 15 impulsions. C’est pourquoi les nuages de points LiDAR créent des millions de points.
Les systèmes LiDAR sont très précis car ils sont contrôlés sur une plate-forme. Par exemple, la précision n’est que d’environ 15 cm verticalement et 40 cm horizontalement.
Lorsqu’un avion se déplace dans les airs, les unités LiDAR balaient le sol d’un côté à l’autre. Alors que certaines impulsions seront directement inférieures au nadir, la plupart des impulsions se déplacent selon un angle (hors nadir). Ainsi, lorsqu’un système LiDAR calcule l’élévation, il tient également compte de l’angle.
Typiquement, le LiDAR linéaire a une largeur d’andain de 3 300 pieds. Mais les nouvelles technologies comme le LiDAR Geiger peuvent scanner des largeurs de 16 000 pieds. Ce type de LiDAR peut couvrir des empreintes de pas beaucoup plus larges que le LiDAR traditionnel.
Que peut générer le LiDAR?
1. Nombre de retours
Imaginez que vous faites de la randonnée dans une forêt. Ensuite, vous levez les yeux vers le ciel. Si vous pouvez voir la lumière, cela signifie que les impulsions LiDAR peuvent également passer. Cela signifie également que le LiDAR peut frapper la Terre nue ou la végétation courte.
Une quantité importante de lumière pénètre dans le couvert forestier tout comme la lumière du soleil. Mais le LiDAR ne touchera pas nécessairement que le sol nu. Dans une zone boisée, il peut se refléter sur différentes parties de la forêt jusqu’à ce que le pouls touche finalement le sol.
En utilisant le LiDAR pour obtenir des points de sol nus, vous ne radiographiez pas la végétation. Au lieu de cela, vous scrutez vraiment les interstices des feuilles. Lorsqu’il frappe les branches, vous obtenez plusieurs résultats ou retours.
2. Numéro de retour
Dans une forêt, l’impulsion laser descend. Lorsque la lumière frappe différentes parties de la forêt, vous obtenez le « numéro de retour ». Par exemple, vous obtiendrez les 1er, 2e, 3e retours jusqu’à ce qu’il touche enfin le sol nu. S’il n’y a pas de forêt sur le chemin, elle frappera simplement la surface du sol.
Parfois, une impulsion de lumière ne se reflète pas sur une chose. Comme dans le cas des arbres, une impulsion lumineuse peut avoir plusieurs retours. Les systèmes LiDAR peuvent enregistrer des informations à partir du haut de la canopée à travers la canopée jusqu’au sol. Cela rend le LiDAR précieux pour interpréter la structure et la forme de la forêt des arbres.
3. Les modèles numériques d’élévation
Les modèles numériques d’élévation (DEM) sont des modèles de terre nue (topographiques) de la surface de la Terre. En utilisant uniquement les retours au sol, vous pouvez créer un DEM. Mais ceci est différent des modèles de terrain numériques (DTM) car les DTM intègrent des contours.
En utilisant un DEM, vous pouvez générer des produits supplémentaires. Par exemple, vous pouvez créer:
- Pente (montée ou chute exprimée en degrés ou en pourcentage)
- Aspect (direction de la pente)
- Colline (relief ombré compte tenu de l’angle d’éclairage)
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4. Modèles de surface numériques
Comme vous l’avez appris, le LiDAR scrute la forêt. Finalement, la lumière atteint le sol. Ensuite, nous obtenons un retour de Terre nue. Mais qu’en est-il du premier retour qui frappe l’arbre?
Un modèle numérique de surface (DSM) intègre des élévations à partir de surfaces naturelles et construites. Par exemple, il ajoute une élévation par rapport aux bâtiments, à la canopée des arbres, aux lignes électriques et à d’autres caractéristiques.
5. Modèle de hauteur de canopée
Les modèles de hauteur de canopée (CHM) vous donnent la hauteur réelle des caractéristiques topographiques au sol. Nous appelons également ce type de modèle d’élévation un Modèle de Surface Numérique Normalisé (nDSM).
Tout d’abord, prenez le DSM qui comprend des éléments naturels et construits tels que des arbres et des bâtiments. Ensuite, soustrayez ces élévations de la Terre nue (DEM). Lorsque vous soustrayez les deux, vous obtenez une surface d’entités qui représente la hauteur réelle du sol.
6. Intensité lumineuse
La force des retours LiDAR varie avec la composition de l’objet de surface reflétant le retour. Les pourcentages réfléchissants sont appelés intensité LiDAR.
Mais plusieurs facteurs affectent l’intensité lumineuse. Par exemple, la portée, l’angle d’incidence, le faisceau, le récepteur et la composition de la surface (en particulier) influencent l’intensité lumineuse. Un exemple est que lorsque l’impulsion est inclinée plus loin, l’énergie de retour diminue.
L’intensité lumineuse est particulièrement utile pour distinguer les caractéristiques de l’utilisation / de la couverture des terres. Par exemple, les surfaces imperméables se distinguent dans les images d’intensité lumineuse. C’est pourquoi l’intensité lumineuse est bonne pour la classification d’image comme l’analyse d’image basée sur des objets.
7. Classification des points
Il existe un ensemble de codes de classification que l’American Society for Photogrammetry and Remote Sensing (ASPRS) attribue pour la classification des points LiDAR.
Par exemple, les classes peuvent inclure le sol, la végétation (basse, moyenne et haute), le bâtiment et l’eau, etc. Parfois, la classification par points peut tomber dans plus d’une catégorie. Si tel est le cas, les vendeurs signalent généralement ces points avec des classes secondaires.
Les fournisseurs peuvent ou non classer le LiDAR. Les codes sont générés par l’impulsion laser réfléchie de manière semi-automatique. Tous les fournisseurs n’ajoutent pas ce champ de classification LAS. En fait, il est généralement convenu au préalable dans le contrat.
Où sont les sources LiDAR ouvertes et gratuites?
Les données LiDAR sont une ressource rare et précieuse. Mais grâce aux programmes de données ouvertes, ils deviennent plus largement disponibles.
Alors, où sont les données LiDAR? Voici une liste des 6 principales sources de données LiDAR gratuites pour vous permettre de démarrer votre recherche.
Si vous ne trouvez pas ce que vous cherchez, vous devrez probablement acheter des données LiDAR. Les vendeurs volent généralement des LiDAR commercialement par hélicoptère, avion et drone.
Quels sont les types de LiDAR?
Explorons les types de systèmes LiDAR. Ils diffèrent par:
- Taille de l’empreinte
- Longueur d’onde
- Alignement de position
LiDAR de profilage
Le LiDAR de profilage était le premier système jamais utilisé dans les années 1980. Il était spécialisé dans les fonctionnalités en ligne droite telles que les lignes électriques. Le LiDAR de profilage envoie une impulsion individuelle sur une ligne. À un nadir fixe, il mesure la hauteur le long d’un seul transect.
LiDAR à faible encombrement
Le LiDAR à faible encombrement est ce que nous utilisons principalement aujourd’hui. Il scanne à environ 20 degrés d’angle de balayage. Ensuite, il recule et avance. S’il dépasse 20 degrés, l’instrument LiDAR peut commencer à voir les côtés des arbres au lieu de descendre directement.
- Le LiDAR topographique cartographie la terre en utilisant généralement la lumière proche infrarouge.
- Le LiDAR bathymétrique utilise une lumière verte pénétrante dans l’eau pour mesurer l’élévation du fond marin et du lit des rivières.
LiDAR à grande empreinte
Le LiDAR à grande empreinte utilise des formes d’onde complètes avec une empreinte de 20 m. Mais sa précision est faible car le retour d’impulsion peut inclure un terrain en pente. Deux expériences notables de la NASA ont utilisé ce type de LIDAR:
- SLICER (Imageur Lidar à Balayage des Auvents par Récupération d’Écho)
- LVIS (Capteur d’Imagerie Laser de Végétation)
LiDAR au sol
Le LiDAR au sol repose sur un trépied et balaye l’hémisphère. C’est particulièrement bon pour scanner les bâtiments. Mais il existe également des applications en géologie, en foresterie et en construction.
LiDAR en mode Geiger
Le LiDAR en mode Geiger est toujours dans un état expérientiel. Mais il est spécialisé dans le balayage à haute altitude. Parce qu’il a une bande extrêmement large, il peut couvrir plus de terrain par rapport aux autres types de LiDAR.
Composants du système LiDAR
Il y a 4 parties principales d’un LiDAR aéroporté. Ils travaillent ensemble pour produire des résultats très précis et utilisables: CAPTEURS LiDAR
: Au fur et à mesure que l’avion se déplace, les capteurs scannent le sol d’un côté à l’autre. Les impulsions sont généralement dans les bandes vertes ou proches de l’infrarouge.
RÉCEPTEURS GPS: Les récepteurs GPS suivent l’altitude et l’emplacement de l’avion. Ces pistes sont importantes pour des valeurs précises du terrain et de l’altitude.
UNITÉS DE MESURE INERTIELLE (IMU): Lorsque les avions voyagent, l’IMUs suit son inclinaison. Les systèmes LiDAR utilisent l’inclinaison pour mesurer avec précision l’angle incident de l’impulsion.
ENREGISTREURS DE DONNÉES: Lorsque le LiDAR balaye la surface, un ordinateur enregistre tous les retours d’impulsions. Ensuite, ces enregistrements sont traduits en élévation.
Forme d’onde complète par rapport aux systèmes LiDAR discrets
Stockent les retours LiDAR de deux manières:
- Forme d’onde complète
- LiDAR discret
LiDAR discret
Imaginez des impulsions LiDAR balayant une zone boisée. Vous obtenez les 1er, 2e, 3e retours car l’impulsion frappe plusieurs branches. Ensuite, vous obtenez une impulsion importante et finale par le retour au sol nu.
Lorsque vous enregistrez les données en tant que retours séparés, il s’agit d’un « LiDAR de retour discret « . En bref, un LiDAR discret prend chaque pic et sépare chaque retour.
LiDAR de forme d’onde complète
Lorsque vous enregistrez le retour entier sous forme d’une onde continue, il s’agit d’un LiDAR de forme d’onde complète. Donc, vous comptez simplement les pics, cela le rend discret.
Même si les données de forme d’onde complète sont plus compliquées, le LiDAR se dirige vers un système de forme d’onde complète.
Projets et applications LiDAR
Cette liste d’utilisations et d’applications LiDAR raye à peine la surface. Par exemple, voici quelques façons d’utiliser le LiDAR aujourd’hui :
FORESTERIE: Les forestiers utilisent le LiDAR pour mieux comprendre la structure et la forme des arbres.
VOITURES AUTONOMES: Les voitures autonomes utilisent un scanner LiDAR pour détecter les piétons, les cyclistes, les panneaux d’arrêt et autres obstacles.
ARCHÉOLOGIE: Les archéologues utilisent le LiDAR pour trouver des motifs carrés dans le sol, qui étaient d’anciens bâtiments et pyramides construits par les civilisations maya et égyptienne.
HYDROLOGIE: Les hydrologues délimitent les ordres de cours d’eau et les affluents du LiDAR.
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Résumé: Qu’est-ce que le LiDAR?
La détection et la télémétrie de la lumière (LiDAR) utilisent des lasers pour mesurer l’élévation des caractéristiques.
C’est une technologie de distance qui échantillonne avec une précision et des points incroyables.
Il est similaire au sonar (ondes sonores) ou au radar (ondes radio) car il envoie une impulsion et mesure le temps nécessaire pour revenir. Mais le LiDAR est différent du sonar et du radar car il utilise la lumière.
Nous avons résumé la détection et la télémétrie de la lumière avec ce guide LiDAR. Vous pouvez maintenant vous considérer comme un gourou LiDAR.