Qu’est-ce que le LiDAR ?

Les données LiDAR permettent de générer un large éventail de supports, des cartes topographiques détaillées aux modèles 3D précis et dynamiques pour guider en toute sécurité un véhicule autonome dans un environnement en perpétuel mouvement. La technologie LiDAR est également utilisée pour évaluer les dangers et les catastrophes naturelles comme les coulées de lave, les glissements de terrain, les tsunamis et les inondations.

Le LiDAR fonctionne sur les mêmes principes que le radar (« détection et télémétrie radio », un système de localisation largement utilisé par les navires et les avions) et le sonar (« navigation et télémétrie soniques », généralement utilisé par les sous-marins). Ces trois technologies émettent des ondes d’énergie pour détecter et suivre les objets. Alors que le radar utilise les micro-ondes et le sonar les ondes sonores, le LiDAR utilise la lumière réfléchie, qui permet de mesurer la distance plus rapidement, avec une plus grande précision et une résolution plus élevée.

Un instrument LiDAR typique est formé de plusieurs composants :

• un scanner laser qui émet des impulsions rapides de lumière dans l'infrarouge proche
• un capteur LiDAR utilisé pour détecter et collecter les impulsions de lumière retour
• un processeur pour calculer le temps et la distance et pour créer le jeu de données résultant, appelé nuage de points LiDAR. 

Pour que la télédétection soit précise, les mesures de temps et d’espace doivent être exactes. Un système LiDAR utilisera donc aussi un outil électronique de chronométrage, une unité de mesure inertielle (IMU) et un GPS.

L’instrument LiDAR émet une lumière laser pulsée dans l’environnement.Ces impulsions circulent à la vitesse de la lumière, rebondissent sur les objets environnants et retournent au capteur LiDAR. Le capteur mesure la durée que met chaque impulsion pour revenir et calcule la distance parcourue.Comme la vitesse de la lumière laser est constante, ce « temps de vol » permet de calculer des distances précises.

En répétant le processus et en envoyant des impulsions laser sur une zone plus grande, les mesures de durée de vol peuvent être collectées sur des milliards de points individuels et traitées en temps réel dans ce que l'on appelle un nuage de points LiDAR.

Les données passent par plusieurs étapes de traitement pour transformer le nuage de points LiDAR en carte 3D.Tout d’abord, leur exactitude et leur exhaustivité sont vérifiées et les bruits anormaux sont éliminés. Les éléments à la surface du sol, par exemple les bâtiments, les berges et les canopées, peuvent ensuite être identifiés et classés de façon algorithmique.

Pour simplifier l’analyse, les algorithmes sous-échantillonnent le nuage de points pour supprimer les données redondantes et réduire la taille du fichier. Les données sont ensuite converties au format de fichier standard LAS (ou LASer) utilisé pour l’échange de données 3D x, y, z.

Enfin, une fois converties au format LAS, les données du nuage de points peuvent être visualisées et modélisées dans une carte de terrain numérisée en 3D. Ces calculs sont constants et continus pour un système LiDAR mobile, comme celui utilisé dans les véhicules autonomes. D’après certaines sources, les véhicules autonomes génèrent et traitent un téraoctet de données toutes les heures.¹

Les systèmes LiDAR se divisent en deux grands types selon leur plateforme : le LiDAR aéroporté et le LiDAR terrestre.

Les systèmes LiDAR aéroportés, aussi appelés systèmes de numérisation laser aéroportés, sont montés sur des avions (généralement des hélicoptères ou des drones) pour générer des modèles 3D de la surface du sol.

La cartographie LiDAR aéroportée est devenue un outil précieux pour créer des modèles numériques de la surface de la Terre, remplaçant en grande partie la méthode de photogrammétrie, plus ancienne et moins précise. La numérisation LiDAR aéroportée est aussi largement utilisée dans le secteur forestier pour créer des relevés LiDAR de la canopée et des modèles de terrain topographiques de la surface du sol.

Parmi les systèmes de LiDAR aéroporté :

LiDAR bathymétrique Le LiDAR bathymétrique capture des données SIG dans les eaux peu profondes et le long des côtes. Le LiDAR bathymétrique émet des faisceaux laser verts à une longueur d’onde capable de pénétrer dans l’eau pour mesurer l’élévation numérique du fond marin, au lieu d’utiliser la lumière laser infrarouge comme les systèmes LiDAR classiques.

LiDAR spatial La NASA et d’autres agences spatiales utilisent le LiDAR spatial pour la navigation des engins spatiaux et la cartographie numérique des corps célestes. Le LiDAR est également employé pour piloter les véhicules autonomes de la NASA et l’hélicoptère Ingenuity sur Mars.

Le LiDAR terrestre est un système basé au sol, fréquemment utilisé pour la cartographie des terrains et des paysages. Le LiDAR terrestre peut être utilisé pour collecter des données plus localisées à courte portée, ce qui le rend idéal pour cartographier des zones plus petites avec une grande précision.

Parmi les types de LiDAR terrestres :

LiDAR statique Certains systèmes LiDAR terrestres sont statiques, fixés à un seul endroit et utilisés pour effectuer des analyses précises et répétées d’une seule zone. Le LiDAR statique est souvent employé sur les sites archéologiques, les projets de construction et les évaluations des risques. Il peut surveiller la surface du sol des volcans actifs, des failles sismiques et des zones inondables.

LiDAR mobile Le LiDAR mobile est une forme de LiDAR terrestre qui permet de collecter des données LiDAR à partir d’un véhicule en mouvement. Les systèmes LiDAR mobiles (MLS) sont essentiels pour l’industrie automobile dans le développement de l’aide à la conduite et de la conduite autonome : la collecte de données par détection et télémétrie de la lumière en temps réel permet aux voitures autonomes d’identifier les actifs et les infrastructures routières de manière rapide, précise et économique.

Les analyses LiDAR sont utilisées dans un large éventail d’applications industrielles. Elles permettent de créer des modèles de terrain détaillés de la surface du sol et du fond marin et produire des visualisations précises, haute résolution et en temps réel d’objets en mouvement.

Les équipes de recherche élaborent en permanence de nouveaux systèmes et algorithmes pour accroître la précision, la vitesse et l'efficacité du LiDAR. En ce moment, le développement vise à rendre la technologie LiDAR plus petite, plus légère et plus abordable.Cela permettrait une adoption plus large dans divers secteurs, notamment l'électronique grand public, la robotique et les appareils domestiques intelligents.Le LiDAR est de plus en plus populaire dans les véhicules autonomes, et il devrait jouer un rôle important dans l'avenir de l'automobile.

Alors que la technologie continue de s'améliorer et que les coûts diminuent, les utilisations du LiDAR sont susceptibles d'augmenter drastiquement.