La technologie LiDAR au service du drone

Nous observons depuis plusieurs années la place de plus en plus en importante du drone pour des applications de relevés topographiques et de modélisations 3D, notamment dans des environnements difficiles et contraignants. Les spécifications techniques des porteurs sont de plus en plus qualitatives tant en termes de capacités (autonomie, résistance au vent, poids embarqué) que de sécurité (détection d’obstacle via des capteurs optique ou infrarouge, intelligence artificielle…). Les capteurs photographiques fournissent des images de plus en plus fidèles à la réalité tout en devenant de plus en plus compacts et faciles à utiliser. Ils permettent d’obtenir des livrables fiables, précis et exhaustifs pour un budget maîtrisé.

Embarquer un capteur photographique sur un drone n’est toutefois pas une solution optimale dans tous les cas de figure, une de ses limitations étant notamment de devoir trouver des points caractéristiques entre les images successives. Les relevés de plages, champs, ou zones végétalisées sont moins aisés, compte-tenu de l’uniformité de ces zones. De plus le traitement photographique est une technologie « sans contact » qui ne permet pas de « traverser » des environnements obstrués tels que du couvert végétal afin d’obtenir le Modèle Numérique de Terrain (MNT) d’une zone considérée.

Une solution adaptée pour cette typologie d’environnement est la technologie LiDAR (Light detection and Ranging), qui permet d’obtenir rapidement un nuage de points 3D haute résolution par l’envoi d’une multitude d’impulsions lasers de « contact » retournés au capteur avec une information de temps de trajet et d’intensité de retour. Cette technologie est de plus en plus incontournable dans le milieu de la topographie et du bâtiment avec l’avènement de scanners lasers statiques ou dynamiques.

L’origine du LiDAR DJI L1 :

Les capteurs LiDAR adaptables sur des drones sont relativement lourds (jusqu’à plusieurs kgs), complexes à mettre en œuvre (montage et adaptation des éléments sur le drone, traitement des différentes données – trajectoire RTK, LiDAR, photos - par plusieurs logiciels) et coûteux (de quelques dizaines à centaines de milliers d’euros).

Partant de ces constats, l’entreprise DJI a lancé le développement d’un LiDAR répondant à ces problématiques, donnant naissance au L1 :

• Compact (900gr environ)
• Facile à mettre en œuvre (compatibilité native avec le drone Matrice 300 RTK, construction du nuage de points en temps réel sur la télécommande, plateforme orientable horizontalement et verticalement)
• Simplifiant le traitement des données (ensemble des données trajectoire RTK, LiDAR & Photos traitées simultanément dans DJI Terra)
• Hautement performant (3 échos, jusqu’à 480 000 points/seconde, capteur RGB, IMU haute-précision)
• Avec un coût fortement optimisé (environ 11k€)

Le L1 tient-il toutes ses promesses ?

Geomesure a développé son expertise en nuages de points 3D depuis de nombreuses années, avec notamment les solutions de scanning 3D Geoslam et Trimble X7. Forts de cette expérience, nous avons lancé une série de tests comparatifs poussés, dont le premier vous est exposé ci-dessous.

Le premier test comparatif vise à réaliser le relevé d’une zone boisée avec le Geoslam Horizon, puis avec le DJI L1. Le Geoslam Horizon est un scanner laser dynamique terrestre dont les principales spécifications techniques sont une portée de 100m et un taux de mesure de 300 000 points / seconde. Il est l’outil idéal pour la numérisation extérieure et intérieure de bâtiments complexes en un temps record, il est également particulièrement adapté pour le relevé de milieu forestier.

La zone choisie pour effectuer le test est une forêt de pin longée par un ruisseau entre les Landes et la Gironde, cette zone présente des déclivités de l’ordre d’une vingtaine de mètres (qui nous permettront de vérifier le comportement du L1 sur des zones escarpées). Au vu de la surface importante de la zone, le relevé au Geoslam Horizon a été partiellement réalisé, en ciblant sur des zones à topographie variable.

Compte tenu de la typologie des lieux, les paramètres de vols drones et d’acquisition LiDAR adaptés sont les suivants :

• Hauteur de vol 50m
• Vitesse d’avancement 5m/s
• Chevauchement entre les lignes de 40%
• Triple-échos, résolution maximale avec colorisation

Le tableau ci-dessous montre les résultats des deux relevés :

Capteurs	DJI L1	GEOSLAM HORIZON
Surface balayée	10.6 Ha	3.5 Ha
Temps de mesure	12 min	22 min (4 boucles)
Nombre de points	139 Mpts	167 MPts
Temps de traitement	Env. 15 min	Env. 45 min (traitement boucles + Assemblage/géoréférencement)
Nuage de points classifié

En termes de performance, il apparaît que l’association du LiDAR L1 au drone Matrice 300 RTK :

• Est 5 fois plus rapide qu’un scanner terrestre dynamique pour numériser une zone définie
• Produit un nuage de points moins dense (densité de 1 à 5cm pour une hauteur de vol de 50m) mais plus homogène
• Permet le relevé d’une zone difficilement accessible à pied
• Parvient aisément à relever le terrain naturel grâce à son triple écho, même en milieu fortement boisé

Coupe du nuage de points, avec visualisation des 3 échos (marron / jaune / vert)

Les deux nuages de points ont été comparés sur la précision altimétrique du MNT dans le logiciel Trimble Realworks, via des outils d’inspection, après extraction du terrain naturel.

Le graphique ci-dessus nous fait apparaître que :

• Les écarts sont uniformes sur la totalité de l’emprise de comparaison
• Les écarts augmentent au fur et à mesure que nous nous éloignons de la trajectoire parcourue avec le Geoslam Zeb Horizon. Cela est dû à l’environnement (végétation dense) qui limite le nombre de points au sol sur le relevé réalisé avec le scanner terrestre.

Partant de ce second constat, nous avons réalisé le même comparatif, mais en le limitant aux zones proches de la trajectoire parcourue avec le Geoslam Horizon (15m).

Les écarts altimétriques obtenus entre les deux solutions sont de l’ordre de :

• 56% en dessous de 5cm (zones vertes)
• 78% en dessous de 10cm (zones vertes & jaunes)
• 95% en dessous de 20cm (zones vertes, jaunes & oranges)

Ces résultats sont très positifs, au vu de la typologie très défavorable de la zone (milieu forestier, végétation dense). Le L1 démontre sa forte capacité à capter des points sous la végétation, avec un niveau de précision très convaincant.

Nos conclusions sur ce premier test :

Ce test comparatif permet de mettre en évidence les points forts suivants pour le L1 :

• Productivité grâce à une rapidité d’acquisition largement supérieure
• Exhaustivité du levé grâce au triple écho du LiDAR, qui permet de traverser la végétation
• Précision du modèle numérique de terrain (MNT), très proche d’un LiDAR terrestre
• Sécurité pour l’équipe terrain, qui n’a pas à se rendre dans des lieux escarpés

> Le combiné du drone Matrice 300 RTK et du LiDAR L1 apparait comme le nouvel outil idéal pour le relevé d’un terrain naturel en zone végétalisée !

Pour en savoir plus :

Vous pourrez télécharger le nuage de points complet du relevé réalisé au DJI L1, en suivant ce lien.

Pour découvrir plus en détails le Lidar DJI L1, ainsi que le drone porteur DJI Matrice 300 RTK et le nouveau capteur photographique 45Mp DJI P1, participez à notre Webinar dédié qui aura lieu le jeudi 1 Juillet 2021 de 11h à 12h :