Introduction à la télédétection et au LiDAR

Introduction

• La télédétection et le LiDAR (Light Detection And Ranging) jouent un rôle clé dans l'évolution des outils d'observation de la Terre et de la modélisation environnementale.
• Le LiDAR combine l'optique, la physique des lasers, l'électronique et l'informatique pour des applications variées, incluant la cartographie, la gestion des ressources, l'archéologie, et les véhicules autonomes.
• Le LiDAR mesure le temps de vol de signaux lumineux laser, pour calculer avec précision les distances et créer des modèles 3D de haute résolution.
• Ce cours vise à fournir une compréhension approfondie des principes, du fonctionnement et des applications du LiDAR.
• Le cours débute par la définition des termes clés et une présentation de l'évolution de la technologie LiDAR.
• Les mécanismes techniques de mesure des distances sont explorés, y compris la télémétrie laser, les longueurs d'onde, et la géométrie du faisceau laser.
• Le cours met en lumière les nombreuses applications du LiDAR et explique comment les paramètres influencent la précision des mesures.
• Les apprenants développeront des compétences pour utiliser cette technologie dans des projets professionnels ou universitaires grâce à l'analyse de concepts théoriques et d'études de cas.
• Le LiDAR est un outil essentiel pour l'observation, la gestion et la préservation de notre environnement.

Définitions des termes-clés associés à la technologie LiDAR

• Le LiDAR est une technologie de télédétection active qui utilise des faisceaux laser pour mesurer la distance entre un capteur et une surface.
• Le LiDAR émet des impulsions lumineuses et calcule le temps de retour pour créer des modèles 3D précis du terrain et des objets.
• Cette technologie peut pénétrer les couvertures végétales denses et fournir des données précises en environnements difficiles.
• Le LiDAR est un outil précieux pour les scientifiques, ingénieurs et décideurs, car il capture des détails fins pour les analyses géospatiales modernes.
• Les systèmes LiDAR utilisent des faisceaux de lumière concentrés dans les domaines infrarouge, visible et ultraviolet.

Grandes étapes de l'évolution du LiDAR dans le domaine de la télédétection

• L'histoire du LiDAR est marquée par des avancées scientifiques et technologiques clés.
• Le LiDAR a révolutionné la télédétection en fournissant des données tridimensionnelles d'une précision et d'une résolution sans précédent.
• Le LiDAR continue d'évoluer, ouvrant la voie à de nouvelles applications.
• Les étapes clés incluent l'origine pour les applications militaires, le développement aéroporté et l'extension aux applications civiles, la diversification des systèmes (2000-2020), et le développement des LiDAR intégrés (à partir de 2020).
• Les origines remontent aux années 60 avec les premières expériences de télémétrie laser de Theodore Maiman.
• Les premiers systèmes étaient utilisés pour les relevés atmosphériques, comme la mesure de la concentration d'aérosols et de gaz, le suivi de missiles, et la mesure de la vitesse.
• En 1971, la mission Apollo 15 a utilisé un altimètre laser pour mesurer la surface de la Lune.
• Dans les années 1980, la miniaturisation, le développement de lasers compacts et précis et l'amélioration des systèmes GPS ont permis le déploiement de systèmes LiDAR aéroportés.
• Les systèmes aéroportés peuvent coupler les mesures LiDAR aux données géoréférencées
• Les systèmes LiDAR aéroportés ont permit d'ouvrir la voie à des applications plus précises en télédétection terrestre, notamment en cartographie topographique, créant des modèles numériques de terrain (MNT) précis.
• À partir des années 2000, le LiDAR a connu une adoption croissante grâce à l'amélioration continue des technologies laser, GPS et inertielles et à la baisse des coûts.
• Le LiDAR est devenu un outil crucial pour l'étude de la canopée forestière, la gestion des ressources naturelles, la planification urbaine et la modélisation des risques naturels.
• Le LiDAR terrestre et mobile a également émergé, pour les relevés précis au sol.
• Des missions spatiales comme ICESat (2003-2009) et ICESat-2 (lancé en 2018) ont utilisé le LiDAR pour surveiller les calottes glaciaires et la topographie terrestre.
• Le LiDAR continue d'évoluer avec l'intégration de nouvelles technologies, comme les drones.
• L'essor des véhicules autonomes, qui reposent sur des systèmes LiDAR, témoigne de l'importance croissante de cette technologie.

Principe de fonctionnement du LiDAR

• Le LiDAR repose sur l'émission et la réception d'impulsions laser pour mesurer les distances entre un capteur et une surface.
• L'Instrument LASER est basée sur le principe de l’émission stimulée.
• Le système LiDAR émet une impulsion lumineuse à l'aide d'un laser, généralement dans le domaine du proche infrarouge.
• L'impulsion laser se propage et entre en contact avec la surface d'une cible, et une partie de l'énergie est réfléchie vers le capteur.
• Le capteur LiDAR capte l'impulsion réfléchie.
• Le temps écoulé entre l'émission et la réception est mesuré avec une grande précision.
• La distance est calculée avec la formule suivante : (c x Δt)/2, où c est la vitesse de la lumière et Δt est le temps de trajet aller-retour de l'impulsion laser.
• Pour chaque impulsion laser, la position exacte du capteur est déterminée grâce à des systèmes GPS et de navigation inertielle.
• Ces informations permettent de géoréférencer chaque point mesuré, créant un nuage de points en 3D.
• En répétant ce processus, un système LiDAR peut collecter une vaste quantité de données, créant un nuage de points dense.

Longueur d'onde, dualité temps-distance, géométrie du faisceau

• La longueur d'onde de l'impulsion laser influence la pénétration dans différentes surfaces, l'interaction avec les matériaux et la capacité de détection.
• La plupart des systèmes LiDAR utilisent des longueurs d'onde dans le proche infrarouge (900-1064 nm) pour les applications terrestres.
• Les systèmes LiDAR bathymétriques emploient souvent une longueur d'onde autour de 532 nm (lumière verte).
• Les longueurs d'onde dans l'infrarouge sont bien réfléchies par les surfaces végétales et les sols nus.
• Les longueurs d'onde plus courtes sont plus susceptibles d'être dispersées par les particules en suspension dans l'air.
• La technologie LiDAR repose sur la mesure du temps de retour de l'impulsion laser pour calculer la distance.
• Le temps de vol est le temps que met l'impulsion laser à aller du capteur à la cible et à revenir. Comme la vitesse de la lumière est constante, ce temps de vol peut être converti directement en une mesure de distance.
• Des horloges internes très précises sont nécessaires pour enregistrer les temps de vol avec une résolution de l'ordre de la nanoseconde.
• Certains systèmes LiDAR sont capables de détecter plusieurs échos pour une seule impulsion laser.
• La divergence du faisceau affecte la résolution spatiale des mesures. Un faisceau plus étroit permet une meilleure résolution.
• En fonction de la distance, le faisceau laser couvre une zone plus ou moins large sur la surface de la cible.
• Les systèmes LiDAR peuvent utiliser différents schémas de balayage, comme le balayage linéaire et le balayage rotatif.
• La forme et l'orientation du faisceau laser affectent la capacité à détecter des surfaces inclinées ou complexes.

Typologie des LiDARs

• Les systèmes LiDAR sont des technologies clés dans de nombreux domaines scientifiques, industriels et environnementaux.
• La classification peut se faire selon les plateformes utilisées, les principes de mesure, les longueurs d'onde employées, ou les applications spécifiques.
• Le LiDAR terrestre (TLS) est fixé sur un trépied et utilisé à partir du sol, offrant des mesures précises pour des relevés détaillés.
• Le LiDAR aéroporté (ALS) est embarqué à bord d'avions ou de drones, permettant de couvrir rapidement de grandes surfaces.
• Le LiDAR spatial est embarqué sur des satellites, conçu pour couvrir des zones encore plus vastes.
• Le LiDAR mobile (MLS) est installé sur des véhicules terrestres ou marins, permettant de réaliser des relevés continus et précis.
• Il existe trois types de lidar, selon le principe de mesure : LiDAR à impulsions (Time-of-Flight) et LiDAR à mesure de phase (Phase-based)et LiDAR à triangulation.
• Le LiDAR proche infrarouge (Near-Infrared LiDAR) utilise des longueurs d’ondes situées autour de 900 à 1064 nm, ce qui est idéal pour l’analyse détaillée des terrains et des couverts végétaux.
• Le LiDAR visible (Green LiDAR) utilise une longueur d’onde d’environ 532 nm, ce qui peut pénétrer l’eau, ce qui le rend particulièrement adapté à la bathymétrie et à la cartographie des fonds marins peu profonds.
• Le LiDAR ultraviolet (UV-LiDAR) utilise des longueurs d’onde inférieures à 400 nm, spécifiquement efficaces pour détecter les aérosols, les gaz atmosphériques et les polluants, et est souvent utilisé en météorologie et pour la surveillance de la qualité de l’air.
• Le LiDAR topographique est conçu spécifiquement pour générer des modèles numériques de terrain (MNT), avec une précision allant du centimètre à quelques décimètres.
• Le LiDAR bathymétrique est spécialisé dans l’étude des fonds aquatiques peu profonds en utilisant des lasers capables de traverser la colonne d'eau.
• Le LiDAR atmosphérique sert principalement à étudier la structure verticale de l’atmosphère, à détecter les nuages, les aérosols.
• Le LiDAR forestier est spécifiquement conçu pour estimer les paramètres forestiers, tel que la hauteur des arbres.
• Le LiDAR industriel ou robotique répond aux besoins spécifiques de la robotique, des véhicules autonomes, de la sécurité industrielle, ou encore de l'inspection précise et rapide des objets ou infrastructures.