Introduction à la télédétection LiDAR

Fondements Physiques de la Télédétection Lidar

• La télédétection et la technologie LiDAR (Light Detection And Ranging) jouent un rôle important dans l'évolution des outils d'observation de la Terre et de modélisation environnementale.
• Le LiDAR est issu de la convergence entre l'optique, la physique des lasers, l'électronique et l'informatique.
• Il est utilisé dans divers domaines comme la cartographie, la gestion des ressources naturelles, l'archéologie et les véhicules autonomes.
• C'est une technologie de mesure qui analyse le temps de vol de signaux lumineux émis par un faisceau laser.
• Cela permet de calculer très précisément les distances et de produire des modèles 3D de haute résolution.

Objectifs du cours

• Le cours vise à fournir une compréhension approfondie des principes fondamentaux du LiDAR.
• Il couvre son fonctionnement et ses applications variées.
• Il commence par la définition des termes clés associés à cette technologie et une présentation de son évolution.
• Il englobe les mécanismes techniques qui permettent au LiDAR de mesurer les distances en analysant le retour des signaux lumineux.
• Inclut une étude détaillée du processus de télémétrie par laser, des longueurs d'onde utilisées et des principes de géométrie du faisceau laser.
• Explore l'influence de ces paramètres sur la précision des mesures et des résultats obtenus.
• Il met en lumière les nombreuses applications du LiDAR dans divers secteurs.
• L'analyse des concepts théoriques et l'examen des études de cas pratiques permettent aux apprenants de développer les compétences nécessaires pour comprendre et utiliser efficacement cette technologie dans leurs projets professionnels ou académiques.
• Le LiDAR est un outil indispensable pour relever les défis liés à l'observation, à la gestion et à la préservation de l'environnement.

Définitions et principes

• La télédétection LiDAR utilise des faisceaux laser pour mesurer les distances entre un capteur et une surface cible.
• En émettant des impulsions lumineuses et en enregistrant le temps de retour, le LiDAR crée des modèles tridimensionnels précis du terrain et des objets.
• Cette technologie se distingue par sa capacité à pénétrer les couvertures végétales denses et à fournir des données précises en environnements difficiles.
• La précision et la densité des données LiDAR en font un outil précieux pour les scientifiques, ingénieurs et décideurs.
• Les systèmes LiDAR utilisent des faisceaux de lumière concentrés dans les domaines de l'infrarouge, du visible et de l'ultraviolet.
• Ils fournissent des informations sur l'altitude et la forme du sol, ainsi que sur les objets présents à la surface.
• Cela comprend les bâtiments, la végétation et les infrastructures, essentiel pour les analyses géospatiales modernes.

Étapes de l'évolution du LiDAR

• L'histoire du LiDAR est marquée par des avancées scientifiques et technologiques qui ont transformé cette méthode en un outil essentiel pour l'étude et la cartographie de la surface terrestre.
• Cette technologie a révolutionné la télédétection en fournissant des données tridimensionnelles précises et d'une résolution sans précédent.
• Les étapes clés incluent l'origine et les premiers systèmes LiDAR pour applications militaires, le développement du LiDAR aéroporté, la diversification des systèmes LiDAR (2000-2020) et le développement des LiDAR intégrés (à partir de 2020).
• Les origines du LiDAR remontent aux années 60 avec des premières expériences de télémétrie par laser par Theodore Maiman.
• Les premiers systèmes LiDAR étaient utilisés pour des relevés atmosphériques, notamment la concentration d'aérosols, le suivi de missiles et la mesure de la vitesse.
• Ces applications étaient limitées par la taille, le coût et la faible résolution spatiale des systèmes.
• En 1971, la mission Apollo 15 a utilisé un altimètre laser pour mesurer la surface de la Lune.
• Dans les années 1980, les progrès ont permis le déploiement de systèmes LiDAR aéroportés grâce à la miniaturisation des composants, au développement de lasers plus compacts et à l'amélioration des systèmes GPS.
• Cela inclut des applications plus précises en télédétection terrestre, notamment en cartographie topographique et la création de 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 des systèmes inertiels.
• Ses coûts de déploiement ont diminué, rendant la technologie plus accessible pour des projets à grande échelle.
• Le LiDAR terrestre et mobile a également émergé, permettant des relevés précis au sol pour les infrastructures urbaines, les routes et les voies ferrées.
• 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 de la surface terrestre.
• Le LiDAR continue d'évoluer avec l'intégration de nouvelles technologies comme le LiDAR intégré à des drones et l'essor des véhicules autonomes assurent l'importance croissante du LiDAR.

Principe de fonctionnement du LiDAR

• Le LiDAR est une technologie de télédétection active qui repose sur l'émission et la réception d'impulsions laser pour mesurer les distances entre un capteur et une surface cible.
• Le principe de fonctionnement se décompose en plusieurs étapes clés : émission de l'impulsion laser, interaction avec la cible, réception de l'impulsion réfléchie et calcul de la distance.
• Le système LiDAR commence par émettre une impulsion lumineuse à l'aide d'un laser, généralement dans le proche infrarouge, mais pouvant varier selon l'application.
• La formule pour calculer la distance est : Distance = (c x Δt) / 2, où c est la vitesse de la lumière (300 000 km/s) et Δt est le temps de trajet aller-retour.
• La position exacte du capteur au moment de l'émission est déterminée grâce à des systèmes de positionnement global (GPS) et de navigation inertielle.
• En répétant ce processus des millions de fois par seconde, le LiDAR collecte une vaste quantité de données, créant un nuage de points dense représentant la surface ou les objets scannés.

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

• La longueur d'onde de l'impulsion laser émise par un système LiDAR est un paramètre essentiel qui détermine ses performances et ses applications.
• La plupart des systèmes LiDAR utilisent des longueurs d'onde dans le proche infrarouge (environ 900-1064 nm) pour les applications terrestres.
• Les systèmes LiDAR bathymétriques utilisent une longueur d'onde autour de 532 nm (lumière verte) pour pénétrer l'eau.
• Les longueurs d'onde dans l'infrarouge sont bien réfléchies par les surfaces végétales et les sols nus, mais sont moins efficaces pour pénétrer l'eau.
• Les longueurs d'onde plus courtes sont plus susceptibles d'être dispersées par les particules en suspension dans l'air, ce qui peut limiter la portée effective du LiDAR.
• La technologie LiDAR repose sur la mesure du temps de retour de l'impulsion laser pour calculer la distance, concept fondamental.
• La précision du système de mesure du temps est critique, avec des horloges internes très précises nécessaires pour enregistrer les temps de vol avec une résolution de la nanoseconde.
• Certains systèmes LiDAR sont capables de détecter plusieurs échos pour une seule impulsion laser, permettant de capturer des informations sur la canopée des arbres, les sous-bois et le sol.
• La divergence du faisceau affecte la résolution spatiale des mesures.
• Les systèmes LiDAR peuvent utiliser différents schémas de balayage pour couvrir une zone cible, comme le balayage linéaire ou 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 se sont imposés comme des technologies clés dans de nombreux domaines scientifiques, industriels et environnementaux.
• La classification des systèmes lidar se fait selon les plateformes, les principes de mesure, les longueurs d'onde employées ou les applications spécifiques.

Classification selon la plateforme

• LiDAR terrestre (TLS): fixe sur un trépied, mesures précises à échelle locale (archéologie, ingénierie civile, architecture, inventaires forestiers).
• LiDAR aéroporté (ALS): embarqué à bord d'avions ou de drones, couvre de grandes surfaces rapidement avec une résolution élevée (cartographie topographique, gestion des forêts, études environnementales).
• LiDAR spatial: embarqué sur des satellites, couvre des zones vastes à l'échelle planétaire, suivis globaux des ressources naturelles.
• LiDAR mobile (MLS): installé sur des véhicules terrestres ou marins, relevés rapides et continus d'infrastructures (cartographie urbaine, navigation autonome).

Classification selon le principe de mesure

• LiDAR à impulsions (Time-of-Flight): mesure la distance en calculant le temps d'une impulsion laser pour l'aller-retour (topographie, cartographie forestière, relevés d'infrastructures).
• LiDAR à mesure de phase (Phase-based): compare le déphasage de l'onde émise et réfléchie (relevés extrêmement précis sur courtes distances, architecture intérieure, ingénierie civile).
• LiDAR à triangulation: utilise une géométrie optique différente, distance calculée par triangulation entre la source laser, la cible et le détecteur (robotique, scanners 3D haute précision à très courte portée).

Classification selon le capteur et la longueur d'onde du laser

• LiDAR proche infrarouge (Near-Infrared LiDAR): 900 à 1064 nm, analyse détaillée des terrains et des couverts végétaux (matière végétale et surfaces terrestres solides).
• LiDAR visible (Green LiDAR): 532 nm, peut pénétrer l'eau (bathymétrie, cartographie des fonds marins peu profonds).
• LiDAR ultraviolet (UV-LiDAR): moins de 400 nm, détection des aérosols, gaz atmosphériques et polluants (météorologie, surveillance de la qualité de l'air).

Classification selon l'application spécifique

• LiDAR topographique: génère des modèles numériques de terrain (MNT) avec une précision allant du centimètre au décimètre.
• LiDAR bathymétrique: étude des fonds aquatiques peu profonds (lasers capables de traverser la colonne d'eau, cartes détaillées des fonds marins et zones côtières).
• LiDAR atmosphérique: étude de la structure verticale de l'atmosphère (détection des nuages, des aérosols et mesure des polluants, applications environnementales et météorologiques).
• LiDAR forestier: estime les paramètres forestiers tels que la hauteur des arbres, la densité de la végétation et la biomasse forestière.
• LiDAR industriel ou robotique: répond aux besoins spécifiques de la robotique et des véhicules autonomes (sécurité industrielle, inspection précise et rapide des objets ou infrastructures).