Drone Lidar et cas d'utilisation pour la sylviculture

Auteur : Barry Gregg
Co-auteur : Frank Segarra
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14 décembre 2022

Le Lidar (Light Detection and Ranging) est une technologie de télédétection active utilisée pour mesurer les distances et les données géospatiales avec une grande précision. Cette technologie fournit des informations horizontales et verticales avec une résolution spatiale et une précision verticale élevées, ce qui permet d'améliorer la surveillance, la gestion et la planification des forêts.

Le Lidar, en tant qu'instrument de détection de haute précision, peut acquérir les mesures nécessaires pour produire des modèles de nuages de points tridimensionnels des forêts avec une précision de l'ordre du centimètre. Des informations essentielles peuvent être extraites directement de ces modèles de nuages de points Lidar, et d'autres calculs peuvent être effectués lorsqu'ils sont associés à d'autres sources de données d'inventaire forestier. En utilisant les données Lidar, vous pouvez déterminer les densités d'arbres, les niveaux de stockage et le rendement attendu d'une zone donnée et effectuer des analyses de régression.

Utilisation des données Lidar pour la modélisation des incendies

Les mesures et les informations SIG nécessaires à la gestion des forêts comprennent l'identification des couronnes des arbres individuels, qui peut être utilisée dans la modélisation des incendies. Les chercheurs évaluent également le mélange d'espèces en leur sein à l'aide d'un système de mesures telles que la densité apparente de la canopée et la hauteur moyenne entre le niveau du sol et le dessous de la couverture de la canopée. Ces données donnent une idée de l'espace occupé par chaque espèce par rapport à sa propre taille et aux autres espèces présentes dans la même zone/région forestière, etc. Grâce à ces données collectées au fil du temps, nous sommes en mesure de produire des estimations qui nous aideront à éviter les problèmes futurs causés par des catastrophes naturelles hautement imprévisibles telles que les incendies.
En outre, les données Lidar de haute qualité fournies par les drones permettent aux clients d'effectuer une "visite numérique" de la zone scannée. Au cours de cette visite, des informations essentielles peuvent être extraites, telles que les mesures de la tige, du diamètre à hauteur de poitrine, de la canopée, du sous-bois et de la surface par rapport à la canopée. Les données Lidar peuvent également être utilisées pour segmenter les arbres individuels, classer les zones d'intérêt et produire des modèles numériques d'élévation et de surface, même dans les zones denses et envahies par la végétation, ce qui permet de rationaliser le flux de travail et de réduire les déplacements sur le site.

Les avantages du lidar aérien et du lidar terrestre (
) pour les scans forestiers

Les forêts de la planète constituent une ressource mondiale importante, jouant un rôle clé à la fois dans l'environnement et dans l'économie. Les forêts tropicales humides font l'objet d'une attention accrue en matière de développement durable et d'atténuation du changement climatique, car elles contribuent largement au cycle du carbone de notre planète par le biais des processus de photosynthèse qui influencent les modèles de croissance des plantes dans le monde entier - depuis les mesures à petite échelle effectuées à l'aide de la technologie de balayage laser terrestre au sol jusqu'au Lidar aérien qui peut fournir une perception de la profondeur aux architectes qui conçoivent des bâtiments dans ces zones.

Le mystère reste-t-il entier quant à la méthodologie de capture de données la plus adaptée, qu'elle soit aérienne ou terrestre ?

Dans les deux images ci-dessous, notez la différence de densité des nuages de points entre les deux méthodes de collecte. En d'autres termes, le Lidar aérien seul manque d'informations précieuses sur les tiges et les branches, tandis que le LIDAR SLAM (localisation et cartographie simultanées) n'a pas la capacité de créer des nuages de points denses à proximité de la canopée (les deux méthodes fonctionnent en tandem). Les fournisseurs de services de drones qui utilisent des flux de collecte et de traitement efficaces pour combiner les données SLAM au sol avec les informations Lidar extraites en vol permettent non seulement d'extraire des informations précises, mais aussi d'être plus efficaces que toute autre méthode disponible.

Données Lidar non classifiées vs. données Lidar classifiées

Chaque point Lidar peut se voir attribuer une classification qui définit le type d'objet rejeté. Les points Lidar peuvent être classés dans un nombre illimité de catégories, y compris la terre nue, le sommet de la canopée, les bâtiments, la végétation, les lignes électriques et l'eau. Les différentes catégories sont sont définies à l'aide de codes numériques entiers dans les fichiers LAS.

Nuage de points non classifié

Ce nuage de points complet et non classifié affiche tous les bâtiments, les arbres et les lignes électriques en un seul nuage de points.

Nuage de points classifié

Après les classifications, les classes individuelles peuvent être activées et désactivées, ou toutes les classes peuvent être désactivées pour ne visualiser que la terre nue.

Produits livrables communs à la sylviculture et au Lidar

Chaque point Lidar peut se voir attribuer une classification qui définit le type d'objet rejeté. Les points Lidar peuvent être classés dans un nombre illimité de catégories, y compris la terre nue, le sommet de la canopée, les bâtiments, la végétation, les lignes électriques et l'eau. Les différentes catégories sont sont définies à l'aide de codes numériques entiers dans les fichiers LAS.

Lignes de contour

(formats .dxf, .shp - prêt pour CAD/ESRI)
Lignes de contour 3D prêtes pour la CAO et précises sur le plan géospatial

Modèle numérique de surface

(Modèle 3D de la surface avec tous les arbres et structures enlevés. Les données sont compressées dans un modèle TIN pour faciliter les opérations de CAO - format .dxf)
Surface TIN d'une forêt dense créée à partir de données et de traitements Lidar. Exportable dans AutoCAD

Modèle numérique d'élévation

(format .tif)
Modèle numérique d'élévation superposé au logiciel SIG
Modèle numérique d'élévation

SLAM Lidar - balayage forestier sous la canopée

La figure 2 montre à quel point le nuage de points forestiers peut être dense lorsqu'il est collecté à l'aide d'un Lidar SLAM, puis couplé à un Lidar aérien. Ces méthodes de collecte et de contrôle au sol ont été testées sur le terrain et notre expérience montre que les données sont les plus denses et les plus précises.
Figure 2

Segmentation des arbres

Grâce à l'IA, aux algorithmes d'apprentissage profond et aux logiciels d'édition Lidar professionnels, les arbres individuels peuvent être segmentés et classés. Cette fonction est extrêmement utile pour les utilisateurs finaux qui ont besoin d'organiser les arbres en les regroupant ou en effectuant des analyses dans une grille
ou une disposition en tuiles.

Lidar pour la détection et la surveillance des dolines dans les zones forestières

Les dolines sont une forme de catastrophe naturelle que l'on trouve dans le monde entier. Elles sont généralement situées dans des régions karstiques (un type de paysage où la dissolution de la roche mère a créé des dolines), qui présentent des niveaux élevés d'activité géologique et hydrologique favorisant leur formation par dissolution chimique des roches carbonatées dans le paysage - en particulier lorsque les précipitations ou la recharge des nappes phréatiques sont suffisantes à un moment donné. Les scientifiques surveillent ces potentiels en mesurant des éléments tels que la vitesse de déplacement des ondes lors de tremblements de terre ou d'événements sismiques, l'analyse de la teneur en eau autour de chaque emplacement de gouffre spécifique, ainsi que les changements par rapport aux relevés des zones environnantes. Le suivi de ces informations nous permet de savoir à quelle fréquence les dolines se produisent dans le temps et dans l'espace. Étant donné la capacité du Lidar à pénétrer la végétation dense pour mesurer le sol, c'est l'outil idéal pour détecter et mesurer les dolines. Des balayages trimestriels ou annuels peuvent être effectués afin de suivre la progression des dolines, ce qui permet une connaissance du site et une prise de décision sans précédent.
Vue souterraine de dolines d'une profondeur de 40 à 70 pieds. La zone située au-dessus des dolines est recouverte d'une végétation dense et impénétrable. Sans le Lidar, l'étendue des dolines ne serait jamais connue.
Vue souterraine de trois grandes dolines près de la base d'une carrière de calcaire. Le chemin de halage entre deux des dolines a dû être réévalué pour des raisons de sécurité et a finalement été fermé après que la gravité des dolines a été connue.

Comment les géologues utilisent les données Lidar

Vous êtes-vous déjà demandé comment les géologues parviennent à créer ces cartes détaillées de la surface de la terre ? Ou comment ils parviennent à identifier les différents types de roches et de minéraux ? Tout commence par la collecte de données. Ces dernières années, l'un des moyens les plus courants utilisés par les géologues pour collecter des données est le Lidar. Outre la sylviculture, les données Lidar sont utilisées depuis plus de cinquante ans pour analyser des phénomènes géologiques que les scientifiques peuvent utiliser pour mieux comprendre la Terre. 

Le Lidar a été utilisé pour la première fois au début des années 70 par la NASA, qui s'est servie de cette technologie de télédétection à base de laser pour développer des engins spatiaux d'exploration. Les applications du Lidar ont continué à se développer pour mesurer les propriétés de l'eau des océans et de l'atmosphère à des fins de cartographie topographique. La technologie Lidar est également utilisée dans d'autres domaines de l'étude géologique :

Glaciers

Les informations recueillies grâce à la technologie Lidar sont inestimables pour comprendre le comportement des glaciers, en particulier ceux qui se trouvent en forte concentration ou à proximité des chaînes de montagnes. Par exemple, les géologues peuvent utiliser ces données pour déterminer l'ampleur du réchauffement climatique en raison de l'accélération de l'élévation du niveau de la mer, ainsi que d'autres facteurs tels que les moraines et les chenaux d'épandage, qui peuvent être identifiés sur la base de leurs résultats.

Défauts

Les failles peuvent se trouver n'importe où, et pas seulement dans des endroits très éloignés. La surface de la terre est en constante évolution et il y aura toujours des zones où il s'est produit quelque chose qui a causé des dégâts - comme un tremblement de terre ou une cavité au pied d'une colline formée par l'écoulement souterrain de l'eau au fil du temps. Vivre dans une région comportant des failles comporte un certain risque ; après tout, l'homme est incapable de contrôler si et quand la prochaine catastrophe se produira. Mais les informations recueillies grâce à la technologie Lidar aident les géologues à étudier la surface de la terre afin de surveiller les changements qui pourraient signaler un événement sismique à l'avenir.

L'érosion

En mesurant l'ampleur de l'érosion du sol au fil du temps, les scientifiques peuvent déterminer le volume et la profondeur des cours d'eau qui ont été altérés par des glissements ou des ravins. Avec ces informations en main, ils sont mieux à même de déterminer quelles sont les zones les plus susceptibles de subir d'autres dommages en raison de leur niveau d'érosion élevé par rapport à d'autres régions voisines, qui ne présentent peut-être pas encore de signes de déformation ou de dommages.

Plaines d'inondation

Les plaines d'inondation sont essentielles à notre environnement, car elles abritent de nombreuses plantes et de nombreux animaux. Ces zones présentent également des caractéristiques naturelles uniques qui les rendent belles lorsqu'elles sont intactes, mais qui peuvent être endommagées par des inondations ou d'autres événements. Pour éviter que ces écosystèmes délicats ne soient emportés, les urbanistes doivent disposer de cartes précises afin de savoir exactement ce qui est menacé avant de prendre des décisions sur les aménagements futurs à proximité des cours d'eau.

Résumé

La technologie Lidar des drones est étonnante et a de nombreuses applications dans différents secteurs. Son utilisation peut améliorer les résultats tout en ouvrant la voie à une nouvelle phase de la télédétection. Dans le secteur forestier, la biologie de la conservation et d'autres domaines connexes, la technologie Lidar par drone peut être utilisée pour créer des cartes plus précises, ce qui permet de réduire le temps nécessaire sur place pour la planification, les photos, les mesures manuelles et la conception. La liste des économies et des améliorations que la technologie Lidar par drone permet de réaliser est très longue !

Si vous avez un projet qui pourrait bénéficier des services de cartographie Lidar par drone, n'hésitez pas à nous contacter. Nous serons ravis de discuter des besoins spécifiques de votre projet et de voir comment nous pouvons vous aider.

Barry Gregg

Barry Gregg

Barry Gregg est consultant en ingénierie des données Lidar et chef pilote de drone avec plus de 10 ans d'expérience dans l'industrie de l'ingénierie des services publics.

Barry est titulaire d'une certification de télépilote FAA Part 107 et a accumulé des centaines d'heures de vol en lidar, photogrammétrie et inspection industrielle. Expert en collecte et traitement de données lidar aériennes, statiques et mobiles, sa passion pour l'industrie des drones se concentre sur des projets visant à intégrer les dernières technologies de collecte et de visualisation de données géospatiales dans des systèmes d'infrastructure nouveaux ou vieillissants.

Frank Segarra

Frank Segarra

Frank Segarra est le premier vice-président des ventes chez Volatus Unmanned Services. Il a plus de 30 ans d'expérience dans les domaines de l'informatique, des télécommunications et de l'aviation. Il a été aviateur sur un porte-avions de la marine américaine et s'est spécialisé dans l'ingénierie avionique. En tant que leader d'opinion dans le domaine de la technologie des drones, Frank a été invité à devenir membre fondateur du CompTIA Drone Advisory Council () et fait partie du comité consultatif de la PA Drone Association.

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