Maîtriser le LiDAR avec DJI Enterprise : guide d’introduction

Dans le paysage technologique actuel en constante évolution, le LiDAR s’impose comme un outil essentiel pour diverses applications, de la gestion forestière à l’inspection des infrastructures. Plongez dans le monde du LiDAR avec le guide complet de DJI Enterprise. Des principes fondamentaux aux applications concrètes, ce livret fournit aux lecteurs des connaissances essentielles sur la technologie LiDAR et son potentiel de transformation.

Introduction et principes de la technologie LiDAR

Qu’est-ce que le LiDAR?

Le LiDAR, qui signifie Light Detection and Ranging, est une technologie de télédétection qui utilise des impulsions laser rapides pour cartographier la surface de la cible. En envoyant un faisceau laser et en mesurant le temps nécessaire à la lumière pour se réfléchir sur les objets, le LiDAR crée des cartes de points tridimensionnelles détaillées.

Imaginez que vous êtes dans une pièce complètement sombre avec une lampe de poche. Si vous pointez la lampe de poche sur divers objets, la lumière rebondira et en voyant cette lumière, vous pouvez avoir une idée de l’endroit où se trouvent les objets et de leur distance. Plus vous faites briller votre lumière et sous différents angles, plus vous aurez une idée précise de la disposition de la pièce. Le LiDAR fonctionne de manière similaire, mais au lieu d’utiliser la lumière visible comme une lampe de poche, il utilise une lumière laser invisible. Voici comment cela fonctionne :

1. Émission: l’appareil LiDAR envoie une impulsion rapide de lumière laser vers un objet.
2. Réflexion: la lumière se réfléchit ensuite sur l’objet et revient au capteur LiDAR.
3. Détection: l’appareil mesure le temps qu’il a fallu à la lumière pour revenir. La vitesse de la lumière étant une constante, cette durée peut être utilisée pour calculer la distance entre le capteur LiDAR et l’objet cible.

LiDAR vs. Photogrammétrie

Le système LiDAR mesure les données, tandis que le système de photogrammétrie les calcule. Cette différence essentielle les rend mieux adaptés à différentes applications. Le LiDAR utilise des impulsions laser pour mesurer la réalité, ce qui le rend idéal pour les applications qui nécessitent une certitude absolue des données. Le LiDAR peut pénétrer la végétation et n’est pas affecté par les conditions d’éclairage, ce qui en fait une excellente option pour cartographier les forêts ou d’autres zones à couverture végétale dense. Le LiDAR est également utile pour créer des modèles de terrain précis et des cartes topographiques.

La photogrammétrie utilise des caméras pour capturer des images superposées d’une zone, qui sont ensuite assemblées pour créer un modèle 3D ou une orthocarte. Elle est moins chère que le LiDAR et peut être utilisée avec du matériel standard comme n’importe quel drone et caméra. Cela la rend utile pour créer des modèles très détaillés de bâtiments et d’infrastructures, ainsi que des orthocartes haute résolution pour les applications d’inspection et de surveillance.

Quels sont les composants d’un système LiDAR aéroporté intégré ?

Composants matériels

Systèmes LiDAR

• Module LiDAR : Le module laser est le composant le plus important du système LiDAR. Il génère un faisceau laser pulsé qui est dirigé vers la surface cible. Le module laser est composé de plusieurs composants, dont la source de lumière laser, le récepteur, les composants optiques et le contrôleur électronique.
  • Source de lumière laser : elle génère de courtes impulsions de lumière laser qui sont utilisées pour mesurer la distance entre le capteur LiDAR et les objets dans l’environnement.
  • Récepteur : Il détecte la lumière laser réfléchie et la convertit en un signal électronique qui peut être traité par le système LiDAR.
  • Composants optiques : Ces composants sont responsables de la direction et de la focalisation du faisceau laser vers la surface cible et de la collecte de la lumière réfléchie.
  • Contrôleur électronique : Il contrôle le timing et la durée des impulsions laser et traite les signaux du récepteur.
• GNSS (Global Navigation Satellite System) est utilisé pour fournir un géoréférencement précis des résultats LiDAR numérisés. La plupart des systèmes LiDAR pour drones utilisent leur propre système GNSS individuel pour enregistrer les données satellites à des fins de géoréférencement et de post-traitement ou sont intégrés à DJI PSDK et utilisent le système GNSS du système du drone.
• L’IMU (unité de mesure inertielle) est un appareil qui mesure l’accélération et la vitesse angulaire d’un système LiDAR. En intégrant ces mesures au fil du temps, l’IMU peut déterminer la position, la vitesse et l’attitude du système LiDAR dans l’espace tridimensionnel. Ces informations sont utilisées pour corriger tout mouvement ou vibration du système LiDAR pendant le processus de collecte de données.
• L’INS (système de navigation inertielle) utilise les données brutes d’une IMU et les intègre pour fournir des informations sur la position, la vitesse et l’orientation d’un objet par rapport à un point de départ, une orientation et une vitesse connus. L’INS prend les données de l’IMU et les intègre aux informations de positionnement GNSS pour fournir une estimation continue de la position et de l’orientation du capteur LiDAR pendant la capture des données.

Systèmes de drones UAV

• Un drone ou véhicule aérien sans pilote est utilisé pour faire voler le système LiDAR au-dessus de la zone étudiée, et il peut être équipé de son propre système GNSS et RTK/PPK pour un géoréférencement précis du système LiDAR.

Composants logiciel

• Le logiciel de planification de mission de vol est utilisé pour planifier la trajectoire de vol d’un drone équipé d’un système LiDAR. Ce logiciel permet à l’utilisateur de définir une zone à surveiller, puis de générer automatiquement un itinéraire de vol basé sur des points de cheminement. L’utilisateur peut ajuster les paramètres du système UAV et les actions des capteurs pour le vol autonome vers les points de cheminement. Le logiciel génère ensuite une trajectoire de vol qui couvre efficacement la zone et collecte les données nécessaires au système LiDAR. Ces données peuvent être utilisées pour créer des cartes ou des modèles 3D détaillés de la zone étudiée.
• Le logiciel de surveillance et de contrôle de vol permet à l’utilisateur de surveiller la trajectoire de vol et l’état du drone et du système LiDAR en temps réel pendant la collecte des données. Le logiciel peut afficher divers paramètres tels que l’altitude, la vitesse et le niveau de la batterie. Ces informations sont cruciales pour garantir la sécurité du drone et collecter des données LiDAR de haute qualité. De plus, le logiciel de surveillance de vol peut alerter l’utilisateur en cas de problème ou de dysfonctionnement pendant le vol.
• Le logiciel de traitement de nuages de points bruts est un logiciel OEM développé par les fabricants de capteurs. Il est utilisé pour traiter les données LiDAR brutes collectées à partir de tous les composants du système et générer les données LiDAR dans un format manipulable tel que LAS/LAZ pour une utilisation ultérieure.
• Les logiciels de traitement de nuages de points font référence aux programmes informatiques conçus pour manipuler et analyser les données de nuages de points. Selon l’application, les logiciels de traitement de nuages de points peuvent être utilisés pour diverses tâches telles que la création de dessins, la réalisation de mesures, l’extraction de surfaces, la classification, etc.

Terminologies et connaissances clés 

Réflectivité de la surface de l’objet 

• Différentes surfaces d’objets ont des taux de réflectivité différents
• La plupart des surfaces d’objets ont une réflectivité supérieure à 10 %.
• L’eau est un puissant absorbeur, et un laser LiDAR classique d’une longueur d’onde de 905 nm sera directement absorbé. À moins que le LiDAR ne soit de type bathymétrique et que la longueur d’onde du laser soit plus courte, il ne pénétrera pas l’eau.

Voici quelques exemples de taux de réflectivité de surface :

• Asphalte frais : 4-7%
• Herbe sèche : 15-20 %
• Couvert forestier : 5-20 %
• Béton humide : 30-50%
• Neige : 60-90%

Nuage de points colorisé par réflectivité de base sur la surface (le rouge est élevé, le bleu est faible)

Méthodes de numérisation LiDAR

En modifiant la méthode de rotation à l’intérieur du capteur LiDAR, le système LiDAR peut réaliser deux modes de balayage mécanique différents : balayage répétitif et balayage non répétitif.

Méthode de balayage répétitif

Le balayage répété ne couvre que le champ de vision horizontal (70,4° x 4,5°).

Avantage : Dans la cartographie mobile, les objets ne sont scannés que pendant une très courte période de temps, car la dérive de précision de la navigation inertielle est très faible sur une courte période de temps, de sorte que le modèle scanné est relativement plus précis.

Inconvénient : Le champ de vision vertical est très petit et il n’y a quasiment aucune information sur la surface verticale. Si des informations sur la surface verticale sont nécessaires, il faut prévoir au moins deux trajectoires de vol pour compenser la perte du champ de vision vertical.

Application : Pour les scénarios avec un terrain relativement doux et des exigences de précision élevées, telles que la mesure du terrain, la génération générale de DEM/DSM.

*Il est recommandé d’utiliser une numérisation répétitive lors des levés topographiques pour garantir la précision du nuage de points.

Animation de balayage répétitif (Vue de haut en bas)

Méthode de balayage non répétitif

Le balayage non répétitif peut couvrir rapidement l’intégralité du champ de vision (70,4° x 77,2°).

Avantages : offre une couverture complète du champ de vision, peut effectuer un balayage vertical et obtient de bonnes informations verticales à partir d’un seul balayage sans définir d’angle de cardan.

Inconvénient : dans la cartographie mobile, les objets sont scannés à différentes positions et à différents moments, en s’appuyant sur une précision de navigation inertielle constante. Si la précision de la navigation inertielle dérive au fil du temps, la précision du modèle diminuera. Cela se traduit par des objets flous ou dupliqués, des nuages de points plus épais et des fils plus épais. Cet effet est particulièrement prononcé dans les scans non répétitifs, qui ont un champ de vision plus large.

Application : Convient aux scénarios avec des exigences de précision relativement faibles, des exigences d’efficacité élevées et des exigences d’informations d’élévation complètes, telles que la modélisation 3D urbaine, la modélisation de structures tridimensionnelles complexes, l’inspection des lignes électriques, la cartographie rapide d’urgence, etc.

*Dans le scénario d’inspection de lignes électriques, si un vol à ligne unique est choisi, il est recommandé d’utiliser la méthode de balayage non répétitif.

Animation de balayage non répétitif (Vue de haut en bas)

Longueur d’onde

Les systèmes LiDAR utilisent des lasers pour émettre des impulsions lumineuses, la longueur d’onde du laser déterminant les caractéristiques de l’impulsion. La longueur d’onde du laser affecte la capacité du système LiDAR à pénétrer divers matériaux et les types de réflexions qu’il peut détecter. Voici deux types courants de LiDAR et leur plage de longueurs d’onde correspondante

• Les systèmes LiDAR dans le proche infrarouge (NIR) utilisent généralement des lasers dont les longueurs d’onde sont comprises entre 800 et 1 000 nanomètres. Les systèmes LiDAR NIR pénètrent mieux la végétation et peuvent détecter plusieurs retours à partir d’une seule impulsion, ce qui les rend idéaux pour les applications forestières. Cependant, ces systèmes LiDAR ne peuvent pas pénétrer l’eau et ne sont pas adaptés aux applications bathymétriques.
• Le LiDAR bathymétrique utilise des longueurs d’onde de lumière plus courtes dans le spectre vert et bleu pour pénétrer l’eau et mesurer la profondeur du fond marin. La lumière laser verte d’une longueur d’onde de 532 nm est la plus couramment utilisée pour le LiDAR bathymétrique car elle pénètre mieux l’eau que les autres longueurs d’onde. La lumière laser bleue d’une longueur d’onde de 445 nm est également utilisée dans certains systèmes LiDAR bathymétriques car elle offre une meilleure pénétration dans des conditions d’eau claire. Les systèmes LiDAR bathymétriques sont utilisés pour des applications telles que la cartographie des fonds marins, la gestion des zones côtières et l’inspection des infrastructures sous-marines.

Portée de détection

La portée de détection fait référence à la distance maximale à laquelle un système LiDAR peut détecter et mesurer avec précision des objets. Plusieurs facteurs affectent la portée de détection d’un système LiDAR, notamment la puissance et la longueur d’onde du laser, la sensibilité du récepteur et la réflectivité des objets scannés. En règle générale, la spécification de la portée de détection est fournie avec la réflectivité de la surface cible ou les conditions environnementales comme référence.

Il convient de noter que la portée de détection maximale spécifiée par les fabricants de LiDAR est généralement testée sur la base d’une réflectivité de 90 %, ce qui n’est pas pertinent pour une utilisation pratique. La distance de détection à une réflectivité de 10 % a une signification plus pratique car elle s’applique à la plupart des surfaces.

Une portée de détection plus longue est souhaitable pour les systèmes LiDAR car elle permet une plus grande zone de couverture et une collecte de données plus complète.

Retours multiples

Le laser d’un système LiDAR envoie des impulsions. Lorsque ces impulsions heurtent des obstacles, elles sont réfléchies. Comme la lumière n’est pas complètement bloquée, elle continue à émettre des impulsions et à rebondir à chaque fois qu’elle heurte quelque chose. On a alors l’impression que le LiDAR peut « voir à travers » la végétation. En réalité, le LiDAR détecte le sol et la canopée des arbres en regardant à travers les interstices entre les feuilles.

1. Premier retour : Il s’agit de la première réflexion captée par le capteur, souvent depuis l’objet le plus haut sur le trajet de l’impulsion laser (comme la cime des arbres ou le sommet des bâtiments).
2. Retours intermédiaires : Ce sont des réflexions d’objets situés entre l’objet le plus haut et le sol (comme des branches ou des fenêtres).
3. Dernier retour : Il s’agit généralement de la réflexion sur le sol ou la base d’un objet.

*La pluie ou le brouillard dans l’air peuvent provoquer des interférences et du bruit dans les données LiDAR. Dans ces situations, il est conseillé d’utiliser le « retour unique » le plus puissant.

Applications connexes

La capacité de détecter plusieurs retours permet une compréhension plus détaillée de l’objet. Par exemple :

1. Extraction de végétation : Segmentation des plantes individuelles, comptage, calcul de la biomasse et analyse des paramètres de végétation.
2. Cartographie topographique : Extraction de MNT (Modèle Numérique d’Élévation) à partir de MNS (Modèle Numérique de Surface) p