Le LiDAR est un appareil utilisé dans de nombreuses applications, notamment pour:
- mesurer des distances
- calculer la vitesse de déplacement d’un objet
- des mesures environnementales
- situer un objet dans l’espace
- et d’autres
Le domaine qui nous intéresse ici est celui de la télédétection et de la télémesure, et plus particulièrement lorsque ces techniques sont utilisées dans le domaine des drones.
Une question est alors souvent posée dans le domaine de la télédétection: comment fonctionne un LiDAR ? Et plus précisément : comment fonctionne un LiDAR embarqué sur drone ?
L’appellation LiDAR vient de l’anglais Light Detection And Ranging dont l’équivalent en français est la détection et l’estimation de la distance par la lumière, ou plus simplement la télémesure grâce à la lumière.
Principe de fonctionnement d’un LiDAR embarqué sur drone
Le LiDAR aéroporté pour drone est un appareil composé des éléments principaux suivants :
- Un capteur laser
- Une centrale inertielle (IMU)
- Un récepteur GNSS
- Un ordinateur embarqué
Le capteur laser du LiDAR
Le capteur laser est composé d’un émetteur et d’un récepteur de lumière.
Le LiDAR émet des pulsations de lumière à haute fréquence. On parle ici de pulsations dont le nombre est de l’ordre de plusieurs centaines de milliers par seconde, voire plus.
Dans un LiDAR embarqué sur drone, chacune de ces émissions laser est envoyée par l’émetteur laser vers le sol. Lorsqu’une de ces impulsions rencontre un objet, son écho renvoyé est capté par le récepteur de lumière du LiDAR pour être transformé en signal numérique.
Le temps que met cette lumière pour effectuer l’aller retour entre l’émetteur et l’obstacle sur lequel elle est réfléchie est alors utilisé pour mesurer la distance entre le capteur et la surface rencontrée.
Un LiDAR est en général capable d’exploiter plus d’un écho produit par la même pulsation.
Le premier écho sera réfléchi par l’objet le plus proche du capteur, souvent aussi le plus élevé, comme le toit d’une maison ou le sommet d’un arbre par exemple.
Les échos suivants seront renvoyés par des objets souvent situés plus bas, comme les feuilles et branches inférieures d’un arbre, ou le sol.
Le nombre d’échos exploitables par un LiDAR est de deux ou trois, voire plus dans certains cas.
En général, plus il y a d’échos sur un LiDAR, plus ce dernier devient lourd et donc difficile, voire impossible, à embarquer sur un drone. Il est alors obligatoire d’installer ce genre de systèmes à bord d’un aéronef habité, avec tous les inconvénients que cela comporte, et surtout en perdant tous les avantages du drone.
La centrale inertielle
Le calcul de la distance entre l’émetteur du LiDAR et l’obstacle rencontré ne suffit évidement pas pour positionner dans l’espace les points d’impact de la lumière laser retro-diffusés.
Le drone avec le LiDAR étant toujours en mouvement, la position du capteur bouge en permanence.
Un des éléments indispensables pour calculer le positionnement de chacun des points réfléchis est de connaître aussi l’emplacement précis du LiDAR au moment de la télémesure.
C’est ici qu’intervient la centrale inertielle qui donnera les informations permettant de calculer l’orientation du capteur au moment précis de l’émission et de la réception du retour de l’impact.
Les informations transmises par la centrale inertielle permettent donc de calculer le positionnement relatif du capteur à un moment précis dans le temps, et ce pour les axes de tangage, roulis et lacet.
Ces données intègrent notamment les vitesses angulaires pour chacun de ces trois axes, la vitesse linéaire du capteur et l’estimation de sa position courante par rapport à celle calculée juste avant dans la ligne du temps.
Le récepteur GNSS
Le récepteur GNSS (de l’anglais Global Navigation Satellite System) est un élément indispensable du LiDAR embarqué sur drone pour connaître la position géographique du système et le temps précis au moment de l’émission et de la réception de chaque pulsation laser.
En plus du positionnement précis que fournit le récepteur GNSS, il agit aussi comme un métronome pour synchroniser les opérations du capteur LiDAR et de la centrale inertielle.
La précision du récepteur GNSS influence donc directement l’exactitude de la télémesure du LiDAR aéroporté.
Les récepteurs GNSS permettent un positionnement très précis aujourd’hui, en utilisant plusieurs constellations de satellites comme les systèmes GPS, Glonass, Galileo, Beidu, QZSS, etc.
En fonction de la région dans laquelle est utilisé le récepteur, il peut aussi profiter des systèmes d’augmentation de la précision comme le DGPS (de l’anglais Differential Global Positioning System) et EGNOS (de l’anglais European Geostationary Navigation Overlay Service).
Les informations de positionnement générées par ce récepteur seront finalement combinées avec des données de correction transmises par des stations de référence pour donner du RTK (de l’anglais Real Time Kinematics) ou du PPK (de l’anglais Post Process Kinematics) afin d’encore augmenter la précision et donc directement l’exactitude des télémesures du LiDAR aéroporté.
L’ordinateur embarqué
Élément fondamental du système, l’ordinateur embarqué est le centre nerveux du LiDAR sur drone car il contient toute l’intelligence de l’appareil.
Parmi ses fonctions, l’ordinateur embarqué intégré dans le LiDAR pilote et coordonne les opérations des périphériques du système tels que le capteur laser, la centrale inertielle et le récepteur GNSS.
Il collecte les données fournies par ces sous-ensembles afin d’effectuer les calculs de positionnement.
Son rôle est évidement primordial car c’est lui qui rend possibles les opérations de télémesure.
Les fichiers générés par le LiDAR
Le LiDAR génère des fichiers de type LAS, qui est un format standard public. Ces fichiers sont utilisés pour générer des nuages de points denses.
Ces nuages de points denses sont utilisés pour générer des modèles numériques de terrain (MNT), des rendus de visualisation tridimensionnels, etc.
Les avantages de la solution LiDAR sur drone
La télémesure par LiDAR embarqué sur drone comporte plusieurs avantages :
Indépendant de la lumière :
Le LiDAR est un capteur actif qui ne dépend pas de la lumière ambiante. Cela signifie qu’il est capable de fonctionner de jour comme de nuit, contrairement à d’autres capteurs passifs tels que les appareils photo.
Qu’un endroit soit bien éclairé ou qu’il se trouve à l’ombre, ou encore si les conditions de luminosité varient pendant l’opération, la télémesure LiDAR n’en sera pas affectée.
Précision de la mesure :
Les mesures effectuées par le LiDAR sont parmi les plus précises dans le domaine de la télédétection.
Traverser la végétation :
En fonction de la densité de la végétation, le LiDAR est capable de traverser celle-ci et de sonder ainsi ce qui se trouve en dessous (sol, bâtiments, etc.)
Rapidité de l’acquisition de données:
Que ce soit au niveau de la mise en œuvre ou du traitement des informations, le LiDAR sur drone permet d’avoir des données précises très rapidement.
Qualité de l’information :
Le vol à base altitude réalisé grâce au drone permet de scanner précisément l’endroit souhaité et d’augmenter la densité des points collectés sans être intrusif et sans perturber l’environnement autour du lieu sondé. La proximité, la simplicité de l’opération et l’organisation aisée des passages augmentent la qualité des informations recueillies qui ciblent précisément l’objet du sondage.