Comment fonctionne un LiDAR bathymétrique aérien ?

La technologie LiDAR (Light Detection and Ranging) utilise des impulsions lumineuses dans le spectre vert, pour pénétrer l’eau et mesurer la profondeur des fonds marins.

Contrairement aux méthodes traditionnelles, cette technologie repose sur l’utilisation de lasers pour mesurer la profondeur des plans d’eau.

Dans cet article, nous allons détailler le fonctionnement d’un système LiDAR bathymétrique aérien, en abordant son laser, sa longueur d’onde, son interaction avec l’eau, ainsi que les technologies de positionnement GPS et INS (centrale inertielle), indispensables pour obtenir des relevés de précision centimétrique géoréférencés.

1. Le laser : l’outil principal du LiDAR

Le cœur d’un système LiDAR est le laser. Dans le cas du LiDAR bathymétrique aérien, un laser particulier est utilisé : le LiDAR vert, qui fonctionne à une longueur d’onde de 532 nm (nanomètres). Cette longueur d’onde spécifique appartient au spectre de la lumière visible et est particulièrement adaptée pour les relevés sous-marins car elle a la capacité de pénétrer la surface de l’eau.

Pourquoi la lumière verte ?

Contrairement aux autres longueurs d’onde (comme le rouge ou le bleu), la lumière verte a la capacité de traverser les premières couches de l’eau avant d’être absorbée, tout en restant suffisamment puissante pour retourner au capteur après avoir atteint le fond marin. Cette propriété en fait la longueur d’onde idéale pour des relevés bathymétriques en eaux peu profondes (jusqu’à environ 15 à 20 mètres), là où les autres technologies, comme le sonar, ne sont pas adaptées. ( rivières / trait de côte )

bathymétrie lidar — Graphique d’absorption du spectre visible dans l’eau

Le principe de réflexion et réfraction

Lorsqu’un faisceau laser traverse la surface de l’eau, il subit un phénomène de réfraction. C’est-à-dire que la direction du faisceau change en fonction de l’angle d’incidence et de la densité de l’eau. Une partie de l’énergie du faisceau est réfléchie vers le capteur aérien, tandis que l’autre continue à pénétrer plus profondément avant d’être réfléchie par le fond marin.

Schéma :

shema lidar bathymetrique laser refraction eau temps de retour — Shema réfléxion / réfraction d’un lidar bathymétrique

2. La centrale inertielle (INS) et le GPS : précision centimétrique

Pour obtenir des relevés bathymétriques avec une précision centimétrique, le simple envoi d’impulsions laser ne suffit pas. Il est essentiel de combiner cette technologie avec des systèmes de positionnement précis.

Le rôle du GPS : positionnement précis

Le GPS joue un rôle crucial dans le système LiDAR en permettant de localiser précisément le capteur (Ou plutôt son INS ) à tout moment pendant le relevé.
Les systèmes de GPS centimétriques fournissent des coordonnées précises de l’antenne GPS embarquée, généralement avec une précision de quelques centimètres en RTK ou PPK.

La centrale inertielle (INS) : mesurer les micros mouvements

Une centrale inertielle (INS) est un ensemble de capteurs qui mesurent l’orientation, la vitesse angulaire et l’accélération de l’appareil. Ces capteurs permettent de suivre en temps réel les mouvements du capteur, compensant ainsi les vibrations ou les déviations qui peuvent affecter la précision des relevés.

Calcul de la position absolue : GPS + INS + Laser

Le système fonctionne en combinant les données du GPS et de l’INS et du Laser

Positionnement GPS : Géoréférencement centimétrique de l’INS
INS et compensation des mouvements : L’INS ajuste ces mesures en fonction des mouvements dynamiques (roulis, tangage, lacet) du capteur pour garantir que les données recueillies sont corrigées.
Retour du laser : Le système mesure le temps que met l’impulsion laser à revenir au capteur après avoir touché le fond marin. En combinant ce temps de retour avec les données GPS et INS, le système peut calculer la position absolue du fond marin avec une précision de l’ordre du centimètre.

3. Le traitement des données : des millions de points.

Chaque impulsion laser envoyée vers la surface de l’eau produit un retour qui est analysé en temps réel. Le système LiDAR bathymétrique capture des millions de points de données pendant un vol, chacun représentant un point précis de la topographie du fond marin.

Nuage de points et modélisation

Les données brutes sont d’abord traitées sous forme de nuages de points. Chaque point correspond à une position x, y, z (latitude, longitude, profondeur / élévation ). Ensuite, ces nuages de points sont utilisés pour créer un Modèle Numérique de Terrain (MNT), une représentation en « 3D » du fond sous-marin.

4. Applications pratiques du LiDAR bathymétrique aérien

Le LiDAR bathymétrique aérien est une solution polyvalente, utilisée dans divers secteurs :

Gestion des littoraux : Cartographie précise des zones côtières pour lutter contre l’érosion ou surveiller les changements du trait de côte.
Relevés environnementaux : Surveillance des écosystèmes aquatiques et suivi des milieux naturels en eau peu profonde.
Projets d’ingénierie : Planification de travaux de construction d’infrastructures côtières ou portuaires.
Hydrologie : Études de bassins versants, gestion des inondations et prévision des crues.

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