Photogrammétrie aérienne et LiDAR sur drone pour des relevés en géomatique

La photogrammétrie: Une longue histoire, de son invention aux techniques les plus modernes

En 1849, un officier de l’armée française eut l’idée d’utiliser des photographies de paysages pour observer et mesurer les champs. S’il peut être considéré comme l’inventeur de la photogrammétrie, force est de constater que le développement des équipements comme les appareils photo numériques, les ordinateurs puissants, les logiciels intelligents et les drones a radicalement donné de nouvelles impulsions à ce domaine.

Old photogrammetry camera

Cette technique, basée sur la perception humaine du terrain par l’observation stéréoscopique permet aujourd’hui d’effectuer des mesures très précises à partir de photos aériennes triangulées et géo-référencées grâce à de puissant logiciels de photogrammétrie.

Avec le développement des drones intégrant des caméras haute résolution, la photogrammétrie est devenue une méthode efficace et rentable de collecte de données, que l’application finale soit la mesure des volumes, la génération de Modèles Numériques de Surface (MNS) ou d’Elevation (MNE), de Modèles Numériques de Terrain (MNT), de nuages de points, de courbes de niveaux ou encore d’orthomosaïques.
En outre, la miniaturisation des récepteurs GNSS (Global Navigation Satellite System) sub-centimétriques qui peuvent désormais être intégrés dans les drones permet de s’affranchir de la tâche fastidieuse consistant à placer et mesurer des points de contrôle (GCP) avec des équipement de topographie lourds et coûteux.

Photogrammetry vs LiDAR

Le géoréférencement en PPK (Post-Processed Kinematics) consiste à fusionner les images avec les positions précises de la caméra enregistrées au moment du déclenchement. Ces coordonnées sont ensuite affinées en post-traitement grâce à un logiciel spécifique, soit en téléchargeant les données RINEX (Receiver Independent Exchange Format) fournies par un service externe, soit à partir des données enregistrées par la propre base GNSS de l’utilisateur.
Le flux de traitement du logiciel de photogrammétrie sera ensuite exécuté sur base des photographies contenant des métadonnées précises, ce qui réduit les interventions manuelles et donc le temps de traitement global.

Mais les caméras ne capturent que la première couche visible. C’est pourquoi, dans certaines conditions, les utilisateurs peuvent se heurter aux limites inhérentes à la photographie, particulièrement lorsqu’il y a de la végétations, des ombres ou des changements importants de luminosité. C’est précisément dans ces cas que le LiDAR aérien (pour Light Detection And Ranging) intervient.

Lidar Landscape Survey

Le LiDAR embarqué sur drone pour les missions de levés aériens

Les systèmes LiDAR embarqués sur drones semblent être la réponse aux limites de la photogrammétrie dans certaines applications d’arpentage et de cartographie.
Si les premiers LiDAR apparus sur le marché il y a quelques années étaient assez encombrants et trop lourds pour être efficacement embarqués sur des drones, la nouvelle génération est beaucoup plus adaptée et même parfois totalement intégrée à son vecteur aérien.

Leur connaissance des composants de l’aéronef comme le GNSS et la centrale inertielle (IMU), associée à leur conscience des contraintes aéronautiques ont amené les industriels du drone à développer des LiDARs autonomes particulièrement légers.
Ils sont en effet les mieux placés pour concevoir les systèmes les plus optimisés, intégrant des IMU et des récepteurs GNSS très compacts facilement combinés aux capteurs et suffisamment légers pour être embarqués sur des drones.

Les premiers LiDAR aériens sont apparus pour les drones multirotors, auxquels ils sont particulièrement bien adaptés. Ils peuvent en effet scanner à une vitesse relativement lente avec une portée d’environ 50m, ce qui leur permet de voler à basse altitude au-dessus de la zone d’intérêt, collectant ainsi une très grande densité de points.
Pour les grandes superficies, les drones à voilure fixe et les VTOL (Vertical-Take-Off-and-Landing) – volant plus longtemps et à plus grande vitesse – permettent de couvrir de plus longues distances en un seul vol.
Aujourd’hui, les  LiDARs aéroportés peuvent par exemple scanner à une vitesse de 15 à 100 km/h à une hauteur sol (AGL) de 10 à 60 m et collecter jusqu’à 500 pt/m². Leurs poids ne dépasse pas les 2 kg, et ils sont complètement autonomes avec leurs propres IMU et récepteurs GNSS PPK ou RTK.

UAV LiDAR Digital Terrain Model

Les applications LiDAR

Les LiDARs peuvent collecter des données précises quelles que soient les conditions d’éclairage, et ces données peuvent être rapidement post-traitées grâce à leur fonctionnalité PPK (Post-Processed Kinematics) ou RTK (Real Time Kinematics) intégrée. De plus, les LiDARs peuvent capturer des points au sol même à travers la végétation. Les LiDARs permettent également de représenter des structures complexes telles que des arbres et des pylônes électriques avec beaucoup plus de détails et de précision que les données 3D reconstruites par photogrammétrie.
Tous ces avantages font du LiDARs aérien l’outil idéal pour de nombreuses applications telles que la cartographie des corridors, la gestion des mines et carrières, la foresterie, le génie civil, la surveillance environnementale (comme l’érosion côtière par exemple), l’archéologie, etc.

UAV topography navigation for LiDAR survey

 

Le scanning aérien par LiDAR remplacera-t-il la photogrammétrie?

La photogrammétrie demeure la méthode la plus abordable lorsqu’elle est pratiquée dans des conditions appropriées (sujets texturés et bien éclairés).
Le plus gros avantage de la photogrammétrie est de fournir des images colorées qui permettent de créer des modèles 3D réalistes et des orthomosaïques comparables aux images satellites, mais avec beaucoup plus de détails.
On ne peut donc pas prédire que les LiDARs aériens remplaceront totalement la photogrammétrie, car les deux techniques sont en fait complémentaires.

UAV Lidar Point cloud

Qu’en est-il de l’avenir?

Si les données procurées par les LiDARS peuvent être importées directement dans tout logiciel GIS, le fait de produire des images non-colorisées à l’échelle RVB peut rendre l’interprétation difficile pour l’œil humain. C’est la raison pour laquelle la tendance est maintenant de combiner les nuages de points collectées par LiDAR avec la photogrammétrie, afin de bénéficier des avantages des deux techniques. On obtient ainsi des données d’une grande précision enrichies d’informations de couleurs.
Cela donne une représentation complète de l’environnement, incluant à la fois les dimensions et les textures, ce qui est l’idéal pour les projets complexes.

UAV Aerial LiDAR

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