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Capteurs LiDAR aéroportésLe LiDAR peut capturer des points précis d'une impulsion laser (mesures de retour discrètes) ou enregistrer le signal complet à son retour (mesures de forme d'onde complète) à intervalles fixes, par exemple 1 ns (couvrant environ 15 cm). Le LiDAR à forme d'onde complète est principalement utilisé en foresterie, tandis que le LiDAR à retour discret trouve des applications plus larges dans divers domaines. Cet article traite principalement du LiDAR à retour discret et de ses applications. Dans ce chapitre, nous aborderons plusieurs points clés concernant le LiDAR, notamment ses composants de base, son fonctionnement, sa précision, les systèmes compatibles et les ressources disponibles.
Composants de base d'un LiDAR
Les systèmes LiDAR terrestres utilisent généralement des lasers dont la longueur d'onde se situe entre 500 et 600 nm, tandis que les systèmes LiDAR aéroportés utilisent des lasers de longueur d'onde plus élevée, de 1000 à 1600 nm. Un système LiDAR aéroporté standard comprend un scanner laser, un télémètre et des systèmes de contrôle, de surveillance et d'enregistrement. Il intègre également un système de positionnement global différentiel (DGPS) et une centrale inertielle (IMU), souvent réunis en un seul système appelé système de position et d'orientation. Ce système fournit des données précises de position (longitude, latitude et altitude) et d'orientation (roulis, tangage et cap).
Le balayage laser de la zone peut suivre différents schémas, notamment en zigzag, parallèles ou elliptiques. La combinaison des données DGPS et IMU, ainsi que des données d'étalonnage et des paramètres de montage, permet au système de traiter avec précision les points laser collectés. Ces points se voient ensuite attribuer des coordonnées (x, y, z) dans un système de coordonnées géographiques utilisant le système géodésique mondial de 1984 (WGS84).
Comment le LiDARTélédétectionTravauxExpliquez simplement
Un système LiDAR émet des impulsions laser rapides vers un objet ou une surface cible.
Les impulsions laser se réfléchissent sur la cible et retournent au capteur LiDAR.
Le capteur mesure avec précision le temps nécessaire à chaque impulsion pour atteindre la cible et revenir.
En utilisant la vitesse de la lumière et le temps de trajet, on calcule la distance jusqu'à la cible.
Combinées aux données de position et d'orientation provenant des capteurs GPS et IMU, les coordonnées 3D précises des réflexions laser sont déterminées.
Il en résulte un nuage de points 3D dense représentant la surface ou l'objet scanné.
Principe physique du LiDAR
Les systèmes LiDAR utilisent deux types de lasers : pulsés et à onde continue. Les systèmes LiDAR pulsés fonctionnent en émettant une brève impulsion lumineuse, puis en mesurant le temps que met cette impulsion pour atteindre la cible et revenir au récepteur. Cette mesure du temps de trajet aller-retour permet de déterminer la distance à la cible. Un exemple est présenté dans un schéma où sont affichées les amplitudes du signal lumineux émis (AT) et du signal lumineux reçu (AR). L’équation de base utilisée dans ce système fait intervenir la vitesse de la lumière (c) et la distance à la cible (R), permettant ainsi au système de calculer cette distance en fonction du temps de retour de la lumière.
Mesure discrète du retour et de la forme d'onde complète à l'aide d'un LiDAR aéroporté.
Un système LiDAR aéroporté typique.
Le processus de mesure en LiDAR, qui prend en compte à la fois le détecteur et les caractéristiques de la cible, est résumé par l'équation LiDAR standard. Cette équation, dérivée de l'équation radar, est fondamentale pour comprendre le calcul des distances par les systèmes LiDAR. Elle décrit la relation entre la puissance du signal émis (Pt) et la puissance du signal reçu (Pr). Concrètement, cette équation permet de quantifier la quantité de lumière émise qui est renvoyée au récepteur après réflexion sur la cible, ce qui est crucial pour déterminer les distances et créer des cartes précises. Cette relation tient compte de facteurs tels que l'atténuation du signal due à la distance et aux interactions avec la surface de la cible.
Applications de la télédétection LiDAR
La télédétection LiDAR a de nombreuses applications dans divers domaines :
Cartographie du terrain et topographique pour la création de modèles numériques d’élévation (MNE) haute résolution.
Cartographie forestière et de la végétation pour étudier la structure de la canopée et la biomasse des arbres.
Cartographie côtière et du littoral pour le suivi de l’érosion et des variations du niveau de la mer.
Planification urbaine et modélisation des infrastructures, y compris les bâtiments et les réseaux de transport.
Documentation archéologique et patrimoniale des sites et artefacts historiques.
Levés géologiques et miniers pour la cartographie des caractéristiques de surface et le suivi des opérations.
Navigation autonome des véhicules et détection des obstacles.
Exploration planétaire, comme la cartographie de la surface de Mars.
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Ressources LiDAR :
Vous trouverez ci-dessous une liste non exhaustive de sources de données LiDAR et de logiciels gratuits. Sources de données LiDAR :
1.Topographie ouvertehttp://www.opentopography.org
2.Explorateur de la Terre de l'USGShttp://earthexplorer.usgs.gov
3.Inventaire inter-agences d'altitude des États-Unishttps://coast.noaa.gov/inventaire/
4.Administration nationale des océans et de l'atmosphère (NOAA)Côte numérique https://www.coast.noaa.gov/dataviewer/#
5LiDAR (Wikipédia)https://en.wikipedia.org/wiki/National_Lidar_Dataset_(United_States)
6.LiDAR en lignehttp://www.lidar-online.com
7.Réseau national d'observatoires écologiques—NEONhttp://www.neonscience.org/data-resources/get-data/airborne-data
8.Données LiDAR pour le nord de l'Espagnehttp://b5m.gipuzkoa.net/url5000/en/G_22485/PUBLI&consulta=HAZLIDAR
9.Données LiDAR pour le Royaume-Unihttp://catalogue.ceda.ac.uk/list/?return_obj=ob&id=8049, 8042, 8051, 8053
Logiciel LiDAR gratuit :
1.Nécessite ENVIhttp://bcal.geology.isu.edu/ Envitools.shtml
2.FugroViewer(pour les données LiDAR et autres données raster/vectorielles) http://www.fugroviewer.com/
3.FUSION/LDV(Visualisation, conversion et analyse des données LiDAR) http://forsys.cfr.washington.edu/fusion/fusionlatest.html
4.Outils LAS(Code et logiciel pour la lecture et l'écriture de fichiers LAS) http://www.cs.unc.edu/~isenburg/lastools/
5.LASUtility(Ensemble d'utilitaires d'interface graphique pour la visualisation et la conversion de fichiers LAS) http://home.iitk.ac.in/~blohani/LASUtility/LASUtility.html
6.LibLAS(Bibliothèque C/C++ pour la lecture/écriture du format LAS) http://www.liblas.org/
7.LiDAR MCC(Classification de la courbure multi-échelle pour LiDAR) http://sourceforge.net/projects/mcclidar/
8.MARS FreeView(Visualisation 3D des données LiDAR) http://www.merrick.com/Geospatial/Software-Products/MARS-Software
9.Analyse complète(Logiciel libre pour le traitement et la visualisation des nuages de points et des formes d'onde LiDAR) http://fullanalyze.sourceforge.net/
10.Magie des nuages de points (A set of software tools for LiDAR point cloud visualiza-tion, editing, filtering, 3D building modeling, and statistical analysis in forestry/ vegetation applications. Contact Dr. Cheng Wang at wangcheng@radi.ac.cn)
11.Lecteur de terrain rapide(Visualisation des nuages de points LiDAR) http://appliedimagery.com/download/ Des outils logiciels LiDAR supplémentaires peuvent être trouvés sur la page Web Open Topography ToolRegistry à l'adresse http://opentopo.sdsc.edu/tools/listTools.
Remerciements
- Cet article intègre des recherches issues de l'ouvrage « LiDAR Remote Sensing and Applications » de Vinícius Guimarães (2020). L'article complet est disponible.ici.
- Cette liste exhaustive et cette description détaillée des sources de données LiDAR et des logiciels libres constituent une boîte à outils essentielle pour les professionnels et les chercheurs dans le domaine de la télédétection et de l'analyse géographique.
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Date de publication : 16 avril 2024