Tout sur le LiDAR :

de la technologie aux applications

1ères Rencontres ASIT VD - Lausanne, le 20 février 2014
Selon une étude de l’USGS (US Geological Survey)
1 modèle altimétrique LiDAR disponible sur l'entier du territoire
américa...
LiDAR aéroporté et dynamique: approches
théoriques et applications

Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
Sommaire
1.
2.

Historique
Principe de fonctionnement
LiDAR
Georéférencement direct
Sources d’erreur
Etalonnage

1.

Techn...
1. Historique
Georeferencement direct > 1990
LiDAR > 1995
Systèmes commerciaux ~1997
Camera Numérique HR ~2000
Généralisat...
2. Principes de fonctionnement
LiDAR (Light Detection And Ranging)
Basé sur la mesure électronique de
distance (MED) entre...
2. Caractériqtiques d’un LiDAR
Système de balayage: type et fréquence
Fréquence d’émission: Pulse et mesure
Plage de mesur...
2. Mesure multiples

Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
2. Géoreferencement du Laser
Utilisation de capteur de positionnement et
orientation: Intégration GPS-Inertielle
GPS-GNSS:...
2. Georeferencement du Laser
Mesures: dP, αP + X,Y,Z, roll, pitch, yaw
GPS ANTENNA

XEGPS
z

κ

LiDAR

z

azimuth

R

IMU
...
2. Sources d’erreurs
Directes
Erreur de position  translation (~3-10 cm)
Erreur d’orientation  f (hauteur de vol), σangl...
2. Etalonnage
La phase d’étalonnage consiste à:
Déterminer les bras de levier entre les capteur (GPSLaser et IMU-Laser)
Dé...
3. Technologie
Capteurs LiDAR
Aériens (hautes altitude, moyenne altitude)
mobile terrestre (voiture, train, bateau)

Systè...
3. Capteurs LiDAR aéroporté

LiDAR

Max. PRR
[kHz]

λ [nm]

FOV
[°]

Distance
[m]

Divergence
[mrad]

Applications

Leica
...
3. Capteur terrestre mobile
Embarqué sur voiture, train, bateau
Qualité IMU importante vs. Application
Couverture réduite ...
3. Georéférencement direct
Récepteur GPS-GNSS L1/L2
Unité de mesure inertielle IMU
MEM’s
Classe tactique
Classe navigation...
3. Performance
Précision des points au sol est fonction
Altitude de vol sur sol
Type d’IMU / Précision de la trajectoire
P...
4. Methodolgie d’acquisition
Fixer les exigences
Précision requise: planimétrique et altimétrique, relative,
absolue  f( ...
4. Les reliefs complexes
Acquisition classique pose plusieurs problème:
Densité hétérogène
Précision hétérogène
Zone de ma...
2D-vector
Georeferenced
pointcloud

keypoints

TIN

groundpoints

DTM

buildingpoints

DSM

vegetationpoints

Rencontres A...
5. Exemple d’applications
Systeme héliporté portable à la main
Système mobile terrestre

Rencontres ASIT VD - 20 février 2...
5. Falaise, pentes raides

Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
Monitoring de glissement
Dorfbach (Mattertal)

Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
5. Infrastructures: route, rail…
Relevé haute précision du réseau (2cm)

Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
5. Infrastructure: route, rail
Combinaison des heliporté, terrestre mobile et statique
Survol héliporté basse altitude 100...
5. Infrastructure: route, rail
MLS
TLS
HELIMAP

Ornières / trous

Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
5. Mobile terrestre urbain

Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
5. Urbanisme
LiDAR + Thermographie
MNS/MNT (20 pt/m2)
Image thermiques des toits de bâtiments
Potentiel solaire des toits ...
5. Urbanisme

Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
5. Hydrologie
LiDAR + Bathymétrie
Erosion
Zone d’écoulement
Risque d’inondations
Simulation

Rencontres ASIT VD - 20 févri...
5. Suivi des glaciers
Suivi du bassin glaciaire d’Arolla
2006
2010

Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
5. Suivi de Glacier
Suivi du bassin glaciaire d’Arolla

Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
5. Patrimoine - archéologie
Burgruine (Bâle)
données héliportée oblique haute densité (200pt/m2)
Compléments terrestre sta...
5. Patrimoine
Réhabilitation de chemin historique

Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
Conclusions
LiDAR aéroportée/terrestre technique très performante
pour l’acquisistion de modèle 3D de haute densité (12’00...
Recommandations
Indispensable de bien définir ses besoins
Précision
Niveau de détail
Complexité du terrain: nadir, oblique...
Merci de votre attention

Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
Exemples d’applications LIDAR
Riviera et agglomération lausannoise
Infos techniques LIDAR
Infos techniques LIDAR
Détection de structures sous la canopée
MNT et courbes de niveau
Analyse de visibilité
Profils d’élévation
Cadastre solaire
Rayonnement solaire
Modèle 3D global (MNT25)
Modèle 3D local (LIDAR)

Traitements

Bâtiments 3D (LIDAR)

...
Pente et orientation des toits
Hauteurs de bâtiments
Modélisation 3D des bâtiments
Cartoriviera – Données et fonctionnalités LIDAR
15h
Ombres 20 décembre 10h
12h

Données
•Courbes de niveau 1 mètre
•Densit...
ANNEXES :
Quelques solutions logicielles

MeshLab
FugroViewer
CloudCompare
Quantum GIS
SAGA GIS
MeshLab
Prochains RDV ASIT VD


1er avril :

20ème Assemble Générale

au Musée Olympique à Lausanne



Courant juin :

2èmes Ren...
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1ères Rencontres ASIT VD : Tout sur le LiDAR : de la technologie aux applications

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La télédétection par laser ou LIDAR (Light detection and ranging) est une technologie de mesure fiable et performante pour l'acquisition de données géoréférencées. Elle devient incontournable quelque soient les applications : environnement, aménagement, urbanisme, patrimoine,...

Comment le LIDAR fonctionne t-il ? Quelles sont ses avantages et potentiels d'utilisation ? Pour répondre à ces questions, trois intervenants viendront partager leurs connaissances et leurs expériences d'utilisation de données LIDAR :

- Julien Vallet, Helimap System SA
- Daniel Gnerre, Commune de Vevey
- Daniel Savary, Commune de Lausanne

********************
Ces Rencontres ASIT VD se sont tenus le 20 février 2014 à Lausanne

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  • Utilisation des courbes de niveau et du MNT dans les avant-projets routier ou l’étude de PPA
  • Outil de profil intégré : AutoCAD , Fugroviewer , QGS
  • Utilisation des pentes de toits pour l'étude du potentiel de végétalisation
  • Potentiel de densification des habitations
  • Modélisation 3D des bâtiments
  • Modélisation 3D des bâtiments
  • 1ères Rencontres ASIT VD : Tout sur le LiDAR : de la technologie aux applications

    1. 1. Tout sur le LiDAR : de la technologie aux applications 1ères Rencontres ASIT VD - Lausanne, le 20 février 2014
    2. 2. Selon une étude de l’USGS (US Geological Survey) 1 modèle altimétrique LiDAR disponible sur l'entier du territoire américain = économie de l’ordre de 13 milliards de $/an
    3. 3. LiDAR aéroporté et dynamique: approches théoriques et applications Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    4. 4. Sommaire 1. 2. Historique Principe de fonctionnement LiDAR Georéférencement direct Sources d’erreur Etalonnage 1. Technologie et performance Les capteurs Performances 1. Acquisition et traitement des données Fixer les objectifs 1. Exemples d’applications Zones inaccessibles (risques naturel, falaises, geologie…) Corridors (route, rail) Urbanisme (thermographie, potentiel solaire) Archéologie et patrimoine Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    5. 5. 1. Historique Georeferencement direct > 1990 LiDAR > 1995 Systèmes commerciaux ~1997 Camera Numérique HR ~2000 Généralisation depuis ~2005 en Europe établissement de MNT haute densité plage d’applications très vaste Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    6. 6. 2. Principes de fonctionnement LiDAR (Light Detection And Ranging) Basé sur la mesure électronique de distance (MED) entre l’appareil et la surface de l’objet. Emetteur/Récepteur Dispositif de balayage Dispositif de géoreferencement direct Récepteur GPS Centrale Inertielle Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    7. 7. 2. Caractériqtiques d’un LiDAR Système de balayage: type et fréquence Fréquence d’émission: Pulse et mesure Plage de mesure Longueur d’onde λ Divergence du faisceau laser Multi-echo Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    8. 8. 2. Mesure multiples Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    9. 9. 2. Géoreferencement du Laser Utilisation de capteur de positionnement et orientation: Intégration GPS-Inertielle GPS-GNSS: bi-fréquence   Position x et vitesse x @ 1Hz  Unité de mesure Inertielle IMU  x  accélération  et vitesse angulaire θ @ 100-500Hz x ∫∫ dt  θdt ∫ Position x et orientation θ @ 100-500 Hz Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    10. 10. 2. Georeferencement du Laser Mesures: dP, αP + X,Y,Z, roll, pitch, yaw GPS ANTENNA XEGPS z κ LiDAR z azimuth R IMU pitch ALS IMU Body Frame y e φ x ALS IMU roll x ZE y αP XEIMU d R IMU P X P E E XE P Objet E Y E ( E E E IMU ALS X P = X IMU + RIMU ⋅ RALS ⋅ eIMU + R( α P ) ⋅ d P Rencontres ASIT VD - 20 février 2014 )
    11. 11. 2. Sources d’erreurs Directes Erreur de position  translation (~3-10 cm) Erreur d’orientation  f (hauteur de vol), σangle ~ 0.01° Erreur de mesure de distance  (~1-2cm) Indirectes Divergence du faisceau Angle d’incidence sur le sol Nature du sol (rugosité, réflectance) e ur nt i pe Point mesuré Point réel Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    12. 12. 2. Etalonnage La phase d’étalonnage consiste à: Déterminer les bras de levier entre les capteur (GPSLaser et IMU-Laser) Déterminer la matrice de montage (rotations) entre le système de coord. IMU et celui du Laser: BORESIGHT décalage boresight appliqué Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    13. 13. 3. Technologie Capteurs LiDAR Aériens (hautes altitude, moyenne altitude) mobile terrestre (voiture, train, bateau) Système géoréférencement direct GPS-GNSS IMU (Tactique, Navigation) Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    14. 14. 3. Capteurs LiDAR aéroporté LiDAR Max. PRR [kHz] λ [nm] FOV [°] Distance [m] Divergence [mrad] Applications Leica ALS60 200 MTA 1064 75° 200-5000 0.22 Haute altitude, grand surface Optech Pegasus 400 MTA 1064 65° 300-2500 0.20 Haute altitude, grande surface Riegl LMS1560 2x800 MTA 1064 60° 500-3500 0.20 Haute altitude, grande surface 390 1064 60° 50-1000 0.20 Moyenne altitude et surface, corridor Riegl VQ580 Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    15. 15. 3. Capteur terrestre mobile Embarqué sur voiture, train, bateau Qualité IMU importante vs. Application Couverture réduite (30-50m), haute densité (2’000 pt/m2) Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    16. 16. 3. Georéférencement direct Récepteur GPS-GNSS L1/L2 Unité de mesure inertielle IMU MEM’s Classe tactique Classe navigation IMU Biais gyroscope Biais accéléromètre Type Précision d’orientation* Roll-pitch / Heading HG1930 2°/h 3 mg M 0.05° / 0.1° iMAR FSAS 0.75 °/h 1 mg T 0.01° / 0.03° Litton LN200 0.5 °/h 0.3 mg T 0.008° / 0.025° iXSEA Airins 0.005 °/h 20 µg N 0.0015° / 0.005° Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    17. 17. 3. Performance Précision des points au sol est fonction Altitude de vol sur sol Type d’IMU / Précision de la trajectoire Précision d'un point au sol vs. type d'IMU (N=Navigation T=Tactique) sur sol plat 0.50 0.45 Sigma XY Nadir N Sigma Z FOV 60° N Sigma XY Nadir T Sigma Z Nadir T Sigma XY FOV 60° T 0.40 Sigma Z nadir N Sigma XY FOV 60° N Sigma Z FOV 60° T Précision (1σ) [m] 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 Hauteur sur sol [m] Rencontres ASIT VD - 20 février 2014 2000 2250 2500
    18. 18. 4. Methodolgie d’acquisition Fixer les exigences Précision requise: planimétrique et altimétrique, relative, absolue  f( type de terrain, épisodique) Densité de points: rester dans le raisonnable (1-10 pt/m2). Possibilité de faire jusqu’à 200 pt/m 2. Niveau de détail: quels détails veut on avoir au niveau du rendu?  fixe la densité et la qualité du filtrage/dédensification Complexité du relief: détermine partiellement le mode d’acquisition (avion, hélico, vertical, oblique) Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    19. 19. 4. Les reliefs complexes Acquisition classique pose plusieurs problème: Densité hétérogène Précision hétérogène Zone de masque dans les falaises et parties surplombantes  Saisie Oblique Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    20. 20. 2D-vector Georeferenced pointcloud keypoints TIN groundpoints DTM buildingpoints DSM vegetationpoints Rencontres ASIT VD - 20 février 2014 Georeferenced image 3D-model 3D-Visualisation contourlines
    21. 21. 5. Exemple d’applications Systeme héliporté portable à la main Système mobile terrestre Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    22. 22. 5. Falaise, pentes raides Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    23. 23. Monitoring de glissement Dorfbach (Mattertal) Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    24. 24. 5. Infrastructures: route, rail… Relevé haute précision du réseau (2cm) Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    25. 25. 5. Infrastructure: route, rail Combinaison des heliporté, terrestre mobile et statique Survol héliporté basse altitude 100m 150 pt/m2, largeur 100m Couverture mobile, 2’000 pt/m2 Largeur 40m Compléments terrestre statique sur zones cachées. 10000 pt/m2 Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    26. 26. 5. Infrastructure: route, rail MLS TLS HELIMAP Ornières / trous Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    27. 27. 5. Mobile terrestre urbain Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    28. 28. 5. Urbanisme LiDAR + Thermographie MNS/MNT (20 pt/m2) Image thermiques des toits de bâtiments Potentiel solaire des toits (ombrage des petits éléments) http://map.cartovision.ch/demo-solaire/ Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    29. 29. 5. Urbanisme Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    30. 30. 5. Hydrologie LiDAR + Bathymétrie Erosion Zone d’écoulement Risque d’inondations Simulation Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    31. 31. 5. Suivi des glaciers Suivi du bassin glaciaire d’Arolla 2006 2010 Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    32. 32. 5. Suivi de Glacier Suivi du bassin glaciaire d’Arolla Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    33. 33. 5. Patrimoine - archéologie Burgruine (Bâle) données héliportée oblique haute densité (200pt/m2) Compléments terrestre statique Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    34. 34. 5. Patrimoine Réhabilitation de chemin historique Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    35. 35. Conclusions LiDAR aéroportée/terrestre technique très performante pour l’acquisistion de modèle 3D de haute densité (12’000 pt/m2) et de haute précision (2-10cm) Très performant sous couvert végétal Imagerie reste un complément indispensable  Orthophoto, classement thématique, couverture du sol  Thermique, Hyperspectrale Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    36. 36. Recommandations Indispensable de bien définir ses besoins Précision Niveau de détail Complexité du terrain: nadir, oblique Ne pas se laisser entrainer dans la course aux millions de points! Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    37. 37. Merci de votre attention Rencontres ASIT VD - 20 février 2014
    38. 38. Exemples d’applications LIDAR Riviera et agglomération lausannoise
    39. 39. Infos techniques LIDAR
    40. 40. Infos techniques LIDAR
    41. 41. Détection de structures sous la canopée
    42. 42. MNT et courbes de niveau
    43. 43. Analyse de visibilité
    44. 44. Profils d’élévation
    45. 45. Cadastre solaire Rayonnement solaire Modèle 3D global (MNT25) Modèle 3D local (LIDAR) Traitements Bâtiments 3D (LIDAR) http://map.cartoriviera.ch/theme/cadastre_solaire Cadastre photovoltaïque Cadastre thermique eau chaude Cadastre thermique chauffage
    46. 46. Pente et orientation des toits
    47. 47. Hauteurs de bâtiments
    48. 48. Modélisation 3D des bâtiments
    49. 49. Cartoriviera – Données et fonctionnalités LIDAR 15h Ombres 20 décembre 10h 12h Données •Courbes de niveau 1 mètre •Densité des points LIDAR •Différences 2012 – 2001 •Modèle de canopée (cime des arbres) •Ombres portées (12.2012 et 06.2012) •Rayonnement solaire Fonctionnalités •Interrogation altitude MNT et MNS •Interrogation rayonnement solaire •Profil rapide (basé sur grilles 0.5m) •Profil détaillé (points LIDAR) – SITN •Ajout données KML 3D
    50. 50. ANNEXES :
    51. 51. Quelques solutions logicielles MeshLab
    52. 52. FugroViewer
    53. 53. CloudCompare
    54. 54. Quantum GIS
    55. 55. SAGA GIS
    56. 56. MeshLab
    57. 57. Prochains RDV ASIT VD  1er avril : 20ème Assemble Générale au Musée Olympique à Lausanne  Courant juin : 2èmes Rencontres autour du logiciel open source QGIS  28 octobre : Journée spéciale 20 ans de l’ASIT VD au SwissTech Convention Center à l’EPFL

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