LiDAR VS. Photogrammétrie pour les relevés par drone

La détection par drone est devenue de plus en plus populaire ces dernières années.

La cartographie aérienne par aéronef sans pilote aide les équipes à recueillir de précieuses informations aériennes de manière rapide, efficace, sûre et à un prix abordable, tout en contribuant à façonner le processus décisionnel, à améliorer la communication et à stimuler les revenus et les résultats.

Alors que la tendance des drones pour la détection s'accélère, une question revient régulièrement : quelle est la meilleure méthode de collecte de données : LiDAR ou photogrammétrie ?

Le lancement récent des charges utiles de cartographie L1 et P1 de DJI montre l'intérêt croissant et la demande pour ces deux pratiques de cartographie aérienne ; le L1 (ci-dessous, à droite) est un capteur LiDAR (avec des fonctionnalités de photogrammétrie), tandis que le P1 (ci-dessous, à gauche) est une charge utile de photogrammétrie dédiée avec un capteur plein format de 45 MP haute résolution.

Il semble donc pertinent de comparer ces deux méthodes de cartographie aérienne. Quelles sont-elles ? Quels sont leurs avantages et leurs inconvénients ? Quand devriez-vous les utiliser ? Et l'une est-elle meilleure que l'autre ?

Qu'est-ce que le LiDAR ?

LiDAR signifie détection et télémétrie par la lumière (Light Detection and Ranging).

Alors, comment fonctionne le LiDAR ? Le LiDAR, également connu sous le nom de balayage laser 3D, fonctionne en envoyant des impulsions lumineuses vers la surface terrestre ou un élément s'y trouvant, et en mesurant le temps nécessaire pour qu'elles se réfléchissent.

Le temps nécessaire pour revenir à la source LiDAR indique la distance exacte de l'objet ou de la caractéristique. C'est ce qu'on appelle le principe du temps de vol (ToF).

Cela fournit un positionnement précis du point où le laser a frappé la surface terrestre. Selon le capteur utilisé, les unités LiDAR peuvent émettre des centaines de milliers d'impulsions par seconde, aidant à créer une visualisation détaillée de ce sur quoi le capteur se concentre.

Cela peut ensuite être utilisé pour créer des nuages de points 3D ; une visualisation précise représentant le terrain, la topographie et les caractéristiques de la zone scannée.

L'image ci-dessus – du terminal gazier de Shell à Bacton, capturée avec le L1 – montre un nuage de points LiDAR.

Le drone LiDAR est apparu comme un outil de relevé aérien utile pour de nombreuses applications, telles que la sylviculture, l'agriculture et la construction.

Qu'est-ce que la photogrammétrie ?

La photogrammétrie est l'art de capturer des photographies haute résolution pour recréer une zone de relevé.

Ces images sont traitées et assemblées à l'aide d'un logiciel sophistiqué pour créer des modèles 3D réalistes, géoréférencés et mesurables du monde réel.

Selon le logiciel, ces jumeaux numériques peuvent être entièrement navigables, aidant les équipes à accéder aux informations clés et à les assimiler rapidement et facilement.

La photogrammétrie peut également être utilisée pour créer des cartes 2D détaillées. Ces jeux de données orthomosaïques fournissent des représentations photographiques précises d'une zone, avec des informations géoréférencées.

Pour illustrer cela, la première image est un orthomosaïque 2D d'une ferme, tandis que la seconde image est un modèle 3D du site, tous deux capturés avec la caméra photogrammétrique P1.

Le nombre d'images nécessaires pour des jeux de données photogrammétriques de valeur varie de centaines à des milliers, en fonction de la taille du site et de la précision souhaitée.

Les cas d'utilisation de la photogrammétrie sont vastes, incluant la gestion de projet, la cartographie de scènes de crime, le marketing, l'exécution de calculs et de mesures de stocks, la cartographie topographique et les relevés de bâtiments.

LiDAR vs photogrammétrie – Avantages et inconvénients

Comme pour tout, le LiDAR et la photogrammétrie ont leurs aspects positifs et négatifs.

Ces facteurs, combinés au brief de la mission, pourraient déterminer la préférence pour l'une ou l'autre application.

Polyvalence de la mission
L'un des principaux avantages de l'utilisation du LiDAR par rapport à la photogrammétrie est l'amélioration des performances lors de certaines missions.

Par exemple, le LiDAR est plus efficace, et donc plus précis, dans les zones de relevé à forte couverture végétale.

Pourquoi ? Parce que les impulsions LiDAR sont capables de pénétrer dans les espaces entre les feuilles et les branches pour atteindre le niveau du sol.

À l'inverse, dans la photogrammétrie traditionnelle, la végétation peut vous empêcher d'acquérir une représentation précise de ce à quoi ressemble la topographie du sol.

Pour cette raison, le LiDAR est une solution plus précise que la photogrammétrie pour la construction d'un modèle numérique de terrain (MNT) ; un modèle du sol nu (sans objets/bâtiments) contenant les données d'élévation du sol.

Ce jeu de données, partagé avec heliguy™ par Ben Bishop, directeur technique de Flythru Limited, montre les différences entre le LiDAR et la photogrammétrie pour l'acquisition des niveaux de sol en vue de la génération du MNT.

Compte tenu de la densité de la végétation dans cet exemple, la photogrammétrie (bleu) a fait un bon travail, mais le graphique montre l'avantage du LiDAR (rose) dans cette situation.

Remarquez, par exemple, la ligne rose épaisse (et l'absence de bleu) sur le sol dans les zones directement situées sous les arbres, démontrant comment les impulsions LiDAR peuvent frapper le sol dans des zones à haute végétation, contrairement à la photogrammétrie.

Ceci diffère d'un modèle numérique de surface (MNS) qui représente la surface terrestre et inclut tous les objets qui s'y trouvent. Le LiDAR et la photogrammétrie sont tous deux de bonnes solutions pour la création de MNS.

Une statistique indique que le LiDAR peut pénétrer dans des zones avec jusqu'à 90 % de végétation, tandis que la photogrammétrie est plus proche de la barre des 60 %.

C'est pour cette raison que le LiDAR est devenu l'un des favoris des professionnels de la sylviculture.

Non seulement le LiDAR est plus efficace dans les zones à forte végétation, mais il est également mieux adapté aux missions effectuées dans des conditions de faible luminosité, voire la nuit, sans avoir besoin d'une source de lumière externe.

À l'inverse, les résultats d'un vol de drone photogrammétrique peuvent être gravement affectés par une faible luminosité, la poussière ou la couverture nuageuse.

Grâce à l'échantillonnage de points à haute densité et à la nature de mesure directe du LiDAR, il est également plus efficace pour mesurer et capturer des objets petits/étroits, tels que les lignes électriques, les pipelines et les éléments avec des arêtes vives.

Cela est démontré dans ces deux jeux de données. Les lignes électriques sont visibles au centre de l'image de gauche – capturée avec le capteur LiDAR L1 – mais ne sont pas visibles sur l'orthomosaïque 2D de la même scène, telle que capturée avec le capteur de photogrammétrie P1.

Pour cette raison, le LiDAR peut également être utilisé pour recueillir des mesures complexes entre les câbles et les arbres, comme le montre l'image ci-dessous, comme démontré par Keltbray dans cette étude de cas.

Facilité d'utilisation
L'accessibilité est l'une des différences majeures entre le LiDAR et la photogrammétrie.

Le LiDAR est assez complexe et nécessite un haut niveau de compréhension, ce qui peut élargir la marge d'erreur et augmenter la demande pour un professionnel expérimenté.

Cependant, le DJI L1 aide à combler cette lacune en simplifiant les flux de travail LiDAR et en les rendant plus accessibles à davantage de personnes.

Cela dit, en général, la photogrammétrie est une méthode de relevé plus simple.

Oui, il y a des choses auxquelles il faut penser, par exemple quelle altitude de vol fournira la meilleure distance d'échantillonnage au sol (plus que celle à courte distance) et quel taux de chevauchement d'image est nécessaire pour garantir le modèle le plus précis.

Mais, en général, les progrès de la photogrammétrie par drone ont permis des flux de travail simplifiés, contribuant à rendre les cartes et modèles précis accessibles à toute organisation disposant d'un drone avec une caméra décente.

Jeux de données
La différence entre les jeux de données LiDAR et photogrammétriques est radicale.

Un jeu de données LiDAR est composé de milliers de points – ou retours – pour créer un nuage de points 3D détaillé qui délimite le terrain et l'élévation.

Pour cette raison, un jeu de données LiDAR ne crée pas toujours une image agréable et peut nécessiter un haut niveau de compétence pour son interprétation. Et parfois, lorsqu'il s'agit de surfaces et de caractéristiques détaillées, le LiDAR peut être non spécifique, ce qui signifie que vous pouvez être incertain de ce que vous voyez réellement.

Ceci étant dit, vous pouvez obtenir un modèle visuellement plus accessible en utilisant la couleur issue de jeux de données distincts.

De plus, certains systèmes LiDAR, dont le L1, disposent de fonctionnalités de photogrammétrie permettant d'ajouter davantage de détails à un nuage de points et de faciliter le recoupement des informations. En effet, les opérateurs du L1 bénéficient de sa capacité à générer des modèles de nuages de points en couleurs réelles en temps réel.

Mais oublions l'esthétique un instant : les personnes capables d'interpréter un jeu de données LiDAR en connaîtront la véritable valeur pour certaines applications.

À l'inverse, la photogrammétrie crée des modèles basés sur des centaines ou des milliers d'images du monde réel qui sont assemblées.

Pour cette raison, une carte 2D ou un modèle 3D créé via cette technique de relevé est immédiatement reconnaissable et intelligible, aidant les équipes à accéder, partager et comprendre les jumeaux numériques rapidement et facilement.

Comme la photogrammétrie implique des images à haute résolution, elle est capable de capturer les détails visuels de chaque caractéristique d'un site et, contrairement à certains nuages de points LiDAR, elle extrait l'abstrait d'un jeu de données.

Par exemple, ces deux images de bâtiments dans le centre de Henderson, prises par le département d'ingénierie de la ville de Henderson, montrent les différences entre les jeux de données LiDAR (image du haut) et de photogrammétrie (image du bas). Vous pouvez lire l'étude de cas complète ici.

Pour ces raisons – et du fait qu'un relevé par drone peut acquérir des données reproductibles – la photogrammétrie est devenue un outil crucial pour les visualisations aériennes, le suivi des changements et la surveillance de l'avancement d'un chantier, par exemple.

Coût
Le LiDAR utilise des lasers, tandis que la photogrammétrie repose sur des images collectées par un appareil photo.

Et traditionnellement, les capteurs LiDAR étaient volumineux, ce qui nécessitait un aéronef plus important.

Par conséquent, la photogrammétrie est devenue connue comme une solution plus abordable que le LiDAR.

Cependant, cet écart se réduit. Prenons par exemple la charge utile LiDAR L1 de DJI, qui représente une solution plus économique et compacte que d'autres capteurs LiDAR sur le marché.

Et avec l'innovation continue, il est tout à fait probable que le LiDAR continue de devenir plus accessible (en termes de prix et d'application).

LiDAR vs Photogrammétrie : laquelle est la plus précise ?

Lorsqu'il s'agit de relevés, l'une des considérations les plus importantes est la précision.

S'ils sont effectués correctement, le LiDAR et la photogrammétrie sont des méthodes fiables et précises.

Mais, avant d'approfondir, voici la définition de deux termes qui font partie intégrante de cette section :

• Précision relative (verticale) : la précision relative fait référence à la précision des points de données d'un jeu de données les uns par rapport aux autres. Si la distance entre le point A et le point B est de 62,128 m sur le terrain, avec une précision relative globale de +/- 20 mm, vous vous attendriez à ce que la distance sur le modèle soit comprise entre 62,126 m et 62,130 m. Les données avec précision relative SERONT collectées avec référence à un système de coordonnées, mais sans haute précision.
• Précision absolue (verticale) : la précision absolue fait référence à la précision du jeu de données par rapport à un système de coordonnées ou un datum. Par exemple, avec une précision absolue de 20 mm, il y aurait une marge d'erreur de 40 mm (20 mm dans chaque direction).

Précision du LiDAR par drone

Lorsque la précision est fondamentale, le LiDAR est une solution extrêmement fiable.

Rappelons que le LiDAR fonctionne en frappant la surface terrestre, ou une caractéristique de celle-ci, en tirant des impulsions laser depuis le haut et en mesurant la réflexion. Il représente donc une mesure directe.

Ceci, combiné à son intégration avec les données GNSS, aide à conférer à votre carte numérique du terrain des niveaux élevés de précision verticale.

Le LiDAR est également une solution idéale pour obtenir une précision absolue, surtout si l'intention est de créer un modèle réaliste de terrain nu, grâce à sa capacité à prendre en compte l'élévation et la végétation.

En fait, grâce à la haute densité de points de données du LiDAR (avec des capteurs émettant des centaines de points par mètre carré), les topographes peuvent créer un jeu de données très robuste.

En guise de remarque, lors de l'examen de différentes solutions LiDAR, la fréquence des impulsions laser est une spécification clé. Une fréquence d'impulsion plus élevée collecte plus de mesures par seconde, créant des modèles plus détaillés et réduisant le nombre de vols nécessaires pour couvrir une zone spécifique.

Mais le LiDAR est un système complexe et de nombreux facteurs déterminent la précision.

Il ne s'agit pas seulement du capteur LiDAR : d'autres systèmes de haute précision comme le positionnement par satellite (données GNSS) et une unité de mesure inertielle (IMU) doivent être de haute qualité pour construire un nuage de points précis qui reflète fidèlement la zone de relevé, son terrain, sa topographie et ses caractéristiques.

Mais, dans l'ensemble, le LiDAR tend à produire des scans avec plus de détails et de précision que la photogrammétrie.

Précision de la photogrammétrie par drone
Cependant, cela ne signifie pas que la photogrammétrie n'est pas une solution de relevé précise.

Au contraire. En fait, certaines solutions de drones peuvent fournir des précisions au centimètre près.

Mais il y a quelques facteurs importants à prendre en compte qui peuvent affecter la précision.

Par exemple, la qualité du drone et de la caméra.

La taille du capteur, sa résolution et la distance focale influent toutes sur la distance d'échantillonnage au sol (GSD) et l'altitude de vol requise.

Pour information, le GSD est défini comme la distance (en pouces, centimètres ou millimètres) entre les centres de deux pixels consécutifs sur la carte.

Donc, si un drone atteint un GSD de 5 cm/px, cela signifie qu'un pixel sur la carte numérique correspond à 5 cm dans la réalité.

Plus le GSD est petit, plus la précision est élevée. Prenons l'exemple des images ci-dessous : l'orthomosaïque avec un GSD de 5 cm (à gauche) est beaucoup plus détaillée que celle à droite avec un GSD de 30 cm. Cela s'explique par le fait que plus la valeur du GSD de l'image est élevée, plus la résolution spatiale de l'image est faible et moins les détails sont visibles.

Quand est-il préférable d'utiliser le LiDAR par drone ?

Le LiDAR peut être un outil clé dans l'arsenal d'un géomètre.

Bien qu'il puisse être utilisé pour un large éventail d'applications, il existe peut-être des types de missions spécifiques où il s'avère vraiment unique.

Il s'agit notamment de :

La cartographie de terrains complexes avec une couverture végétale
Dans des conditions de faible luminosité ou pendant la nuit
Lorsqu'il est nécessaire de détecter des objets petits/étroits comme des câbles ou des canalisations, qui pourraient ne pas être détectés ou reconnus avec des méthodes alternatives.
Le LiDAR est également une méthode efficace lorsque la précision est particulièrement cruciale et pour les projets où la précision est une priorité.

Quand est-il préférable d'utiliser la photogrammétrie par drone ?

De plus en plus d'entreprises, d'organisations et de départements dans une gamme croissante de secteurs verticaux adoptent la photogrammétrie par drone.

Et il existe certains scénarios qui conviennent parfaitement à cette technique de relevé aérien. Il s'agit notamment de :

Jeux de données nécessitant une évaluation visuelle
Projets nécessitant des cartes et des modèles faciles à comprendre
Scans riches en contexte qui sont accessibles et nécessitent une expérience et une post-traitement minimes.

Une carte 2D ou un modèle 3D peut être précieux pour suivre l'avancement d'un chantier, améliorer la communication entre les équipes et les parties prenantes, la planification et la gestion de la ville et vérifier la présence d'erreurs/dommages.

LiDAR par drone et photogrammétrie : quelles solutions sont disponibles ?

De nombreuses solutions sont disponibles dans l'écosystème DJI pour aider à collecter des données LiDAR et photogrammétriques.

Cliquez pour plus d'informations sur les drones LiDAR et les scanners LiDAR.

LiDAR par drone
La plateforme commerciale phare de DJI, le M300 RTK, peut être utilisée comme un drone LiDAR grâce à la sortie du capteur Zenmuse L1.

Le L1 intègre un module Lidar, une caméra RGB de 20 MP et une IMU haute précision.

Ses caractéristiques principales incluent :

• Hautement efficace, elle peut couvrir jusqu'à 2 km² en un seul vol
• Indice de protection contre les intempéries IP54
• Prend en charge trois retours
• Taux de points de 240 000 points/s
• Précision verticale de 5 cm / Précision horizontale de 10 cm
• Plage de détection 450 m
• LiveView nuage de points

Le M300 RTK et le L1 peuvent également être utilisés en combinaison avec la plateforme logicielle de cartographie de DJI, DJI Terra. Cela permet aux topographes d'accéder à des données 3D, des détails de structures complexes et des reconstructions visuelles précises. Terra est également très efficace pour le traitement des données LiDAR du L1.

Photogrammétrie par drone
M300 RTK et Zenmuse P1

Le M300 RTK peut être intégré avec la caméra Zenmuse P1. Cette charge utile est dotée d’un capteur plein format de 45 MP, ce qui en fait une solution hautement performante pour la photogrammétrie.

Autres caractéristiques clés :

• Capable d'atteindre une précision de 3 cm à l'horizontale et de 5 cm à la verticale, sans points de contrôle au sol (GCP)
• Hautement efficace, couvre 3 km² en un seul vol
• Nacelle stabilisée sur 3 axes avec Smart Oblique Capture, idéale pour les grands sites de relevé
• Obturateur mécanique global avec une vitesse d'obturation de 1/2000 seconde
• TimeSync 2.0, permet la synchronisation à la microseconde près
• Objectifs interchangeables à focale fixe (24/35/50 mm)
• Une mise à jour a également permis d'utiliser le P1 en combinaison avec la solution de cartographie de DJI, Terra.

Phantom 4 RTK

Le Phantom 4 RTK est la solution de cartographie à basse altitude de DJI. Il est particulièrement adapté aux petites zones de relevé, mais, grâce à son accessibilité, il constitue une bonne introduction pour ceux qui débutent dans la cartographie par drone.

Ses caractéristiques principales incluent :

• Module RTK
• Capteur CMOS 1 pouce de 20 MP
• L'obturateur mécanique réduit le risque de flou dû à l'obturateur roulant
• Système TimeSync, qui aligne le contrôleur de vol, la caméra et le module RTK
• LiDAR vs Photogrammétrie : quel est le meilleur ?
• Il y a une bonne raison pour laquelle le LiDAR et la photogrammétrie sont devenus des techniques de relevé par drone populaires : ils peuvent acquérir des données de qualité et fournir des informations précieuses.

Mais lequel est le meilleur ?

En vérité, c'est une question difficile à trancher, car les deux ont leurs avantages.

À bien des égards, tout dépend du travail à accomplir.

Le LiDAR est extrêmement puissant pour des missions spécifiques, comme les projets exigeants où la précision de l'élévation, les structures complexes ou les zones à forte végétation sont critiques.

Grâce à l'innovation, comme la nouvelle charge utile L1 de DJI, le LiDAR devient de plus en plus accessible et abordable, mais il reste une technique de relevé hautement spécialisée.

Par conséquent, pour des besoins de relevé plus larges, la photogrammétrie sera plus que suffisante : elle est généralement moins coûteuse, plus accessible et, si elle est exécutée correctement, suffisamment précise pour satisfaire la plupart des besoins.

Et pour les équipes qui ont besoin d'une ressource numérique hautement visuelle, la photogrammétrie par drone est une méthode de levé aérien puissante.

Mais, quelle que soit votre technique préférée, l'innovation dans ces deux domaines est passionnante ; un fait illustré par les nouveaux capteurs L1 et P1 de DJI.

La croissance continue dans ces secteurs ne fera qu'améliorer la capacité des géomètres aériens à acquérir des cartes et des modèles très détaillés et précis, plus rapidement, plus sûrement et de manière plus rentable qu'auparavant.