Le LiDAR, un acronyme anglais de « détection et télémétrie par la lumière », est une technologie de télédétection qui utilise des faisceaux laser pour mesurer des distances et des mouvements précis en temps réel.
Les données LiDAR peuvent être utilisées pour générer tout, des cartes topographiques détaillées aux modèles 3D précis et dynamiques nécessaires pour guider en toute sécurité un véhicule autonome dans un environnement en constante évolution. 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 le même principe que le radar (acronyme anglais de « détection et télémétrie radio », un système de localisation souvent utilisé par les navires et les avions) et le sonar (signifiant « navigation et télémétrie soniques », un système généralement utilisé par les sous-marins). Ces trois technologies émettent des ondes d’énergie pour détecter et suivre les objets. La différence est que si le radar utilise des micro-ondes et le sonar utilise des ondes sonores, le LiDAR utilise quant à lui la lumière réfléchie, qui permet de mesurer la distance plus rapidement, avec une plus grande précision et une résolution plus élevée que le radar ou le sonar.
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 de chronométrage, une centrale à inertie 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, cette « durée de vol » peut être utilisée pour calculer des distances très 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.
Pour transformer le nuage de points LiDAR en carte 3D, les données passent par plusieurs étapes de traitement. 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 faciliter l'analyse des données, les algorithmes sous-échantillonnent le nuage de points pour supprimer les données redondantes et réduire la taille de fichier, puis les convertissent en LAS (ou LASer), un format de fichier standard pour l'échange de données x,y,z tridimensionnelles.
Après conversion, les données du nuage de points peuvent être visualisées et modélisées en une carte 3D du terrain analysé par LiDAR. Dans un système LiDAR mobile, comme celui employé dans les voitures sans conducteur, ces calculs sont constants et continus. 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 d'altitude 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 :
Le LiDAR bathymétrique
Le LiDAR bathymétrique est utilisé pour capturer des données géographiques pour GIS dans les eaux peu profondes et le long des côtes. À la place de la lumière laser infrarouge utilisée par les systèmes LiDAR classiques, 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.
Le LiDAR spatial
Le LiDAR spatial est utilisé par la NASA et d'autres agences spatiales pour guider la navigation des engins spatiaux et réaliser des études de l'atmosphère et de la surface du sol, ainsi que des cartes numériques d'élévation de la Terre, de la Lune, de Mars et de Mercure. Le LiDAR est également utilisé 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 LiDAR précises et répétées d'une seule zone. Le LiDAR statique est souvent utilisé sur les sites archéologiques, les projets de construction et pour certains types d'évaluation des risques, tels que la surveillance de la surface du sol d'un volcan actif, d'une faille sismique ou d'une zone inondable.
Le LiDAR mobile
Le LiDAR mobile permet de collecter des données LiDAR à partir d'un véhicule en mouvement. Les systèmes LiDAR mobiles (MLS) sont devenus 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 lumineuse en temps réel permet à ces véhicules d'identifier les infrastructures routières rapidement, avec précision et de manière peu coûteuse.
L'analyse LiDAR permet de créer des modèles détaillés de la surface du sol et du plancher océanique, ainsi que des visualisations en temps réel précises et à haute résolution d'objets en mouvement. Elle offre donc un large éventail d'applications concrètes dans de nombreux secteurs, notamment :
Les capteurs LiDAR permettent de mesurer la topographie et l'aménagement des terres agricoles, d'estimer la biomasse des cultures et de détecter les propriétés du sol en cartographiant les variations de profondeur, de pente, d'humidité et d'exposition. Le LiDAR est également utilisé pour piloter des véhicules agricoles autonomes.
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Le LiDAR est utilisé pour la cartographie du terrain, le suivi des cibles, la chasse aux mines et l'imagerie au travers des nuages, mais aussi la planification des missions à l'aide de visualisations du champ de bataille sophistiquées, même dans des environnements urbains denses.
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Les systèmes avancés d'aide à la conduite et les véhicules autonomes tirent parti des données cartographiques 3D LiDAR pour « voir » la route et son environnement.
Le LiDAR peut être utilisé pour des mesures précises de la vitesse du vent et trouve aussi sa place dans les aéroports pour suivre les avions et les corps étrangers.
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Le LiDAR bathymétrique utilise la lumière laser verte pour pénétrer dans l'eau et créer des modèles numériques de l'élévation des fonds marins côtiers, des rivières et des réservoirs d'eau peu profonds. Ils peuvent être utilisés pour mesurer l'érosion, cartographier l'habitat de la faune et de la flore et évaluer les risques à l'intérieur des zones inondables.
Le LiDAR peut effectuer un relevé rapide et précis d'un chantier, calculer le volume de matériaux et servir à réaliser des inspections de sécurité et à détecter les risques potentiels.
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La technologie LiDAR est utilisée pour l'évaluation des ressources éoliennes, la prospection du pétrole et du gaz et la gestion de la végétation pour l'entretien des lignes électriques.
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Le LiDAR est utilisé pour cartographier des environnements dans des applications de réalité virtuelle et de réalité augmentée.
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En plus de fournir des cartes topographiques détaillées, le LiDAR peut être utilisé pour mesurer les caractéristiques structurelles des arbres tels que l'indice de la surface des feuilles et le volume de la canopée. C'est un outil précieux pour la gestion de la végétation. Il est également utilisé pour surveiller et contenir les feux de forêt.
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Comme les mines et les carrières sont difficiles d'accès, le LiDAR est de plus en plus utilisé pour le relevé, la cartographie et la sécurité des travailleurs. L'analyse par LiDAR peut aussi être utilisée pour les mesures de volume dans les carrières.
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La technologie LiDAR peut être utilisée pour créer des modèles 3D d'objets destinés à la fabrication, mais aussi dans le contrôle qualité pour détecter les anomalies et les défauts.
Le LiDAR est utilisé pour créer des modèles numériques d'élévation et cartographier les routes, les ponts et d'autres éléments structurels ou géographiques.
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Le LiDAR peut être utilisé pour « voir » à travers la canopée des forêts et surveiller la densité, les espèces et la santé de la végétation, afin d'identifier toute plante qui pourrait présenter un grand risque pour les services publics et d'autres infrastructures.
Les capteurs LiDAR permettent de mesurer la température, la couverture nuageuse, la vitesse du vent, la densité de l'air et d'autres paramètres atmosphériques, et fournissent des données vitales pour les modèles de prévision météorologique.
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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.
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Notes de bas de page
1David Edwards, "On the Way to Solving the Big Data Problem in Autonomous Driving," Robotics and Automation, 21 juillet 2022. (lien externe à ibm.com).