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Cartographie 3D : à la découverte du LiDAR

Découvrez comment cette technique utilisant les propriétés de la lumière s'est imposée comme l'un des plus puissants outils de modélisation 3D et un incontournable de la cartographie contemporaine.

Publié le 07 mars 2022

Temps de lecture : 5 minutes

Modéliser la 3D grâce au laser

Le LiDAR (LIght Detection And Ranging) est une technique de mesure de distance (télémétrie) qui exploite les propriétés de la lumière. On l'utilise pour restituer des objets ou des environnements en trois dimensions.

Ses principaux atouts en matière de cartographie ? Sa précision et sa capacité à décrire finement le sol, le sursol (bâtiments, ouvrages d'art) et la végétation. Les appareils les plus perfectionnés localisent aujourd'hui des points au centimètre près.

Comment ça marche ?

Que le LiDAR soit terrestre ou embarqué dans un aéronef (avion, drone...), son fonctionnement repose sur un même procédé. Pour apprécier la distance d'un objet, le capteur LiDAR enregistre très précisément le temps écoulé entre l’émission d'impulsions laser et leur retour après impact. On connaît la vitesse de la lumière. Il est dès lors possible de déduire la distance des points impactés et donc leur position.

De manière schématique, on peut décomposer le parcours de l'onde lumineuse en deux étapes quasiment simultanées.

1. Émission des impulsions laser

Le scanner émet des impulsions laser infrarouge à haute fréquence vers un objet ou vers la scène cartographiée.

2. Retour de l'impulsion laser à l'émetteur

Après impact, le laser revient vers l'émetteur.

 

À noter : l'enregistrement du temps de parcours de la lumière ne donne à lui-seul qu'une partie de l'information nécessaire pour positionner précisément les points d'impact. Pour géoréférencer ces points, c’est-à-dire pour en déterminer avec exactitude les coordonnées en trois dimensions, on doit aussi tenir compte de la position et de l’orientation du scanner. Celles-ci sont déterminées par deux autres équipements :

  • une antenne de positionnement par satellite (GNSS) donnant la position du capteur LiDAR
une antenne de positionnement par satellite (GNSS) donne la position du capteur lidar
  • une centrale inertielle constituée de gyroscopes et d’accéléromètres déterminant son orientation.
une centrale inertielle constituée de gyroscopes et d’accéléromètres indique l'orientation du lidar

Du point au modèle 3D

Le LiDAR, très puissant, émet chaque seconde un grand nombre d’impulsions lumineuses dans plusieurs directions, ce qui lui permet de collecter rapidement une multitude de points géoréférencés relatifs à l’objet observé, qu’il s’agisse d’un territoire, d’un bâtiment ou d’une œuvre architecturale. Progressivement, un nuage de centaines de millions de points bruts se constitue, première esquisse du futur modèle 3D. S'en suit une étape de classification des points. Des traitements plus ou moins automatisés sont appliqués pour attribuer une classe (sol, arbre, bâtiment...) à chaque point 3D. Après la classification vient la production de modèles 3D : modèle numérique de terrain (MNT) pour la modélisation du sol topographique, modèle numérique de surface (MNS) pour la modélisation du sol et du sursol, modèle numérique de végétation...

Zoom sur la densité des nuages de points

Selon le modèle, les réglages et l'altitude de vol, le LiDAR permet d'acquérir des nuages de points plus ou moins denses. De la densité du nuage de points dépend la finesse des modèles 3D produits ensuite. Dans le cadre du programme national Lidar HD, par exemple, l'IGN coordonne la production de données LiDAR d'une densité de 10 points par mètre carré en moyenne, soit la couverture la plus fine jamais établie pour la France entière grâce à l'acquisition d'environ 5 600 milliards de points géoréférencés.


Une technologie incontournable

Le LiDAR a été mis au point aux États-Unis dans les années 1960 peu après l'invention du laser. On doit son premier prototype à la Hugues Aircraft Company, la compagnie américaine fondée par le célèbre aviateur Howard Hughes.

Des usages d'abord militaires et aérospatiaux

Initialement utilisé à des fins militaires, le LiDAR révèle rapidement son incroyable potentiel. En 1962, Louis Smullin et Giorgio Fiocco du  Massachusetts Institute of Technology (MIT) l'emploient pour mesurer la distance entre la Terre et la Lune. Dans la foulée, des météorologues y trouvent un moyen d'évaluer la hauteur des nuages et d'étudier leur composition.

Un outil d'aide à la décision qui investit aussi notre quotidien

L'usage du LiDAR s'est massivement répandu depuis sa mise au point dans les années 1960, notamment grâce au développement des techniques de positionnement par satellite à partir des années 1990. Il est même désormais incontournable dans de nombreux domaines, de la topographie à la prévention des risques sismiques en passant par l'archéologie ou le déploiement du véhicule autonome. La technologie s’invite jusque dans nos smartphones, bien partie pour révolutionner notre utilisation de la réalité augmentée. 

Un outil capable de répondre au défi d'une cartographie toujours plus fine

Le potentiel du LiDAR est aujourd'hui décuplé face aux défis écologiques de préservation des ressources naturelles et de lutte contre le changement climatique. Plus que jamais, les enjeux sont grands d'une cartographie de l'anthropocène la plus fine possible, que ce soit pour prévenir les risques, gérer durablement les forêts ou encore pour faciliter la transition énergétique. 

LiDAR haute densité : la France entièrement couverte à l'horizon 2025

Avec le programme Lidar HD, la France disposera bientôt d'un modèle 3D France entière, un nouveau référentiel commun accessible à tous en open data. Les données produites répondront à de nombreux besoins exprimés par les acteurs publics. Pour mener à bien ce chantier d’une ampleur inédite, l’IGN s’est entouré de plusieurs sous-traitants spécialisés dans l’acquisition de ce type de données. Il réquisitionne aussi sa flotte d’avions Beechcraft King Air 200 embarquant à leur bord des modèles de capteurs LiDAR très puissants en complément du matériel dédié aux prises de vue aériennes.

Mis à jour le 23/05/2022