LiDAR vs Photogrammétrie : Différences clés et applications

02 Jul 2024

Cet article compare deux technologies populaires pour la création de modèles et de cartes en 3D : la photogrammétrie et le LiDAR. L’accent est mis sur les principales différences entre les deux : leur fonctionnement, les différents résultats créés pour chacun d’entre eux et les cas d’utilisation les plus courants. L’article se termine par une discussion sur les raisons pour lesquelles l’investissement dans le LiDAR peut être un meilleur choix, malgré des coûts plus élevés.

LiDAR et photogrammétrie expliqués

Le LiDAR et la photogrammétrie sont deux technologies populaires pour la création de cartes et de modèles en 3D. Parce qu’ils peuvent tous deux produire des résultats similaires, ils peuvent sembler identiques à première vue, mais la réalité est qu’il y a plus de différences que de similitudes.

Cet article explique ce que sont la photogrammétrie et le LiDAR, comment ils fonctionnent et quelles sont les principales différences entre les deux.

Une brève introduction

Il s’agit dans les deux cas de technologies de télédétection. La télédétection consiste à recueillir des informations sur un objet ou un phénomène sans contact physique avec celui-ci. Le LiDAR utilise des scanners laser 3D qui émettent des lasers pulsés pour mesurer des distances variables (portées) qui génèrent des informations précises et tridimensionnelles sur le terrain et les différents types de surface. LiDAR signifie Light Detection and Ranging (détection et télémétrie par la lumière) et est également orthographié « lidar » ou « Lidar ».

La photogrammétrie comprend plusieurs techniques pour capturer, mesurer et interpréter des images photographiques afin de produire des modèles 3D, des cartes et d’autres données spatiales. Il peut s’agir d’images aériennes et terrestres, prises par différents types de caméras sur différentes plates-formes. Comme pour le LiDAR, il peut s’agir de plates-formes aériennes (drones, avions) ou de plates-formes statiques ou mobiles au sol.

Les principes de base de la technologie LiDAR ont été développés dans les années 1960, tandis que les racines de la photogrammétrie remontent au milieu du 19e siècle. La photogrammétrie a progressé de manière significative au cours de la Première et de la Seconde Guerre mondiale, où elle a été largement utilisée pour la cartographie et la planification militaires. L’avènement de l’ordinateur a permis un traitement plus automatisé des images, ce qui a favorisé les progrès de la photogrammétrie.

De même, les progrès de la technologie laser et de l’électronique dans les années 1970 et 1980 ont permis de mettre au point des systèmes LiDAR plus pratiques et plus portables. Les années 1990 ont été marquées par de nouvelles avancées technologiques dans le domaine du LiDAR, notamment l’amélioration de la précision et de la résolution, combinées à l’émergence de systèmes LiDAR commerciaux et à leur adoption par l’industrie. Ces développements, ainsi que d’autres, ont jeté les bases d’une utilisation généralisée au cours des décennies suivantes.

Principe de la photogrammétrie

Principe du LiDAR

Principales applications

Aujourd’hui, la photogrammétrie est largement utilisée dans des domaines tels que la cartographie, l’architecture et l’archéologie, entre autres :

Cartographie : la photogrammétrie permet de créer des cartes détaillées et des données SIG en transformant des images photographiques en modèles 3D précis et mesurables et en données spatiales.
Architecture et construction : la photogrammétrie permet de documenter et de planifier des projets de construction et d’inspecter des structures à l’aide de modèles et de cartes 3D précis.
Archéologie : la photogrammétrie permet de générer des modèles 3D précis de sites et d’objets sans toucher quoi que ce soit (d’où la partie « à distance » de la « télédétection »). Il capture les détails les plus fins, permet des reconstructions virtuelles et facilite le suivi des changements au fil du temps, améliorant ainsi les études archéologiques et patrimoniales.

Le LiDAR est utilisé dans des domaines tels que la sylviculture, l’agriculture et la surveillance de l’environnement, entre autres :

La sylviculture : Le LiDAR est capable de pénétrer la végétation, ce qui permet de mesurer la hauteur des arbres, la structure de la canopée et la biomasse, et de créer des modèles 3D détaillés. Cela permet de dresser un inventaire précis des forêts, de surveiller les changements, d’évaluer l’état de santé et de gérer efficacement les ressources afin de soutenir la conservation et la gestion durable des forêts.
Agriculture : Le LiDAR dans l’agriculture fournit des modèles 3D détaillés pour l’agriculture de précision, l’optimisation de la plantation, le suivi de la croissance, l’évaluation du potentiel de rendement et l’amélioration de l’efficacité et de la durabilité globales de l’exploitation.
Surveillance de l’environnement : LiDAR crée des cartes très détaillées et précises des caractéristiques du terrain. Les cartes très détaillées peuvent aider à identifier les risques environnementaux potentiels, tels que l’érosion, la déforestation et la destruction de l’habitat.

Nuage de points LiDAR d’une île en Antarctique généré par la YellowScan CloudStation

Nuage de points colorisé de la même zone. Un module de caméra a été utilisé avec le système LiDAR pendant l’acquisition.

Comparaison entre LiDAR et photogrammétrie

Maintenant que nous savons ce que sont le LiDAR et la photogrammétrie, ainsi que certains de leurs cas d’utilisation, nous pouvons les comparer plus en détail. Nous vous expliquerons que si le LiDAR et la photogrammétrie sont des technologies de télédétection, elles fonctionnent différemment et présentent des caractéristiques distinctes. Ensuite, nous examinerons les points forts et les inconvénients du LiDAR et de la photogrammétrie.

Principales différences

La collecte de données, les attributs des données collectées, le coût, la précision et les applications sont quelques-unes des principales différences entre les deux technologies :

Collecte des données : une des principales différences entre le LiDAR et la photogrammétrie est la manière dont les données sont collectées. Le LiDAR utilise des impulsions laser pour mesurer les distances et constitue un système actif de télédétection. Cela signifie que le système lui-même génère de l’énergie (lumière). La photogrammétrie utilise la détection passive avec des images photographiques. Les capteurs passifs détectent l’énergie émise ou réfléchie par un objet. Alors que le LiDAR peut fonctionner dans l’obscurité, la photogrammétrie dépend de la lumière ambiante externe et nécessite de bonnes conditions d’éclairage. La photogrammétrie ne peut généralement pas pénétrer dans la végétation dense, alors que les impulsions LiDAR peuvent passer à travers les trous dans le feuillage et atteindre le sol comme la lumière du soleil.
Attributs des données : Le LiDAR recueille des informations différentes de celles de la photogrammétrie. Le LiDAR saisit généralement les coordonnées x, y et z, ainsi que les valeurs d’intensité. Il s’agit de valeurs entières qui varient en fonction de la composition de l’objet de surface réfléchissant le faisceau laser. Les scanners laser produisent des nuages de points 3D qui contiennent toutes les mesures de points 3D. La photogrammétrie capture des images en 2D, après quoi le logiciel de photogrammétrie utilise une méthode appelée triangulation pour produire des mesures de points en 3D, de sorte que les coordonnées x, y et z sont connues pour chaque point. Les images photogrammétriques contiennent également des informations sur les couleurs sous la forme de valeurs RVB (rouge, vert, bleu) afin de produire des modèles 3D visuellement riches. Le LiDAR peut intégrer une caméra RVB pour capturer des informations sur les couleurs en même temps que les points 3D, mais ce n’est pas l’option par défaut.
Déploiement : Comparé à la photogrammétrie, le LiDAR est généralement plus coûteux et nécessite une expertise en matière de traitement et d’analyse des données, mais le temps de déploiement et de traitement du LiDAR est nettement meilleur que celui de la photogrammétrie.
Cas d’utilisation : Le LiDAR et la photogrammétrie ont généralement des cas d’utilisation différents, en raison des caractéristiques uniques et des données capturées par chacun d’entre eux. Mais il peut aussi arriver que les deux conviennent pour le poste à pourvoir. En général, le LiDAR est utile pour les applications qui nécessitent une grande précision et la capacité de capturer des données à travers la végétation : de la même manière que les faisceaux lumineux passent à travers de petites ouvertures dans la canopée, le LiDAR peut voir à travers un feuillage dense pour cartographier le sol qui se trouve en dessous. La photogrammétrie est préférable pour les applications qui nécessitent des modèles 3D détaillés et texturés avec une représentation réaliste des couleurs.

Il doit être clair que les exemples ci-dessus sont tous des généralisations et que la préférence pour l’une ou l’autre technologie dépend de nombreux facteurs, notamment :

Coût
L’heure
La taille de la zone à cartographier
La plateforme de choix
Le rendement requis, entre autres facteurs.

Il est également important de mentionner que le choix d’une technologie ne signifie pas que l’autre ne peut pas être utilisée : les deux technologies peuvent être combinées de manière à ce que le modèle 3D ou le résultat dérivé combine les forces individuelles du LiDAR et de la photogrammétrie.

YellowScan Vx20 équipé de deux caméras pour la colorisation ou la photogrammétrie.

Limites et inconvénients éventuels

Outre les différences entre les deux technologies, voici quelques-uns des inconvénients et des limites potentiels de chacune d’entre elles :

Limites et inconvénients éventuels de la technologie LiDAR :

Outre les coûts d’acquisition du matériel et des logiciels LiDAR, les coûts opérationnels peuvent être élevés, par exemple pour le recrutement de personnel qualifié.
Le LiDAR peut rencontrer des difficultés avec les surfaces peu réfléchissantes ou très réfléchissantes. Cela se traduit par une saisie incomplète des données et peut se produire lors de la saisie de données LiDAR bathymétriques dans des masses d’eau très réfléchissantes à certaines heures de la journée, ou si le lit de la masse d’eau est particulièrement sombre.
Lors de la capture de données LiDAR, des objets peuvent bloquer la vue d’autres personnes, créant ainsi des lacunes ou des ombres dans les données. C’est ce qu’on appelle les occlusions.
Tous les systèmes LiDAR n’intègrent pas de caméras RVB, de sorte que les informations sur les couleurs peuvent être limitées. Une solution possible à ce problème est un nuage de points colorisé qui combine les informations RVB des données photogrammétriques.

Limites et inconvénients éventuels de la photogrammétrie :

La photogrammétrie repose sur de bonnes conditions d’éclairage pour capturer des images de haute qualité. Les conditions météorologiques telles que la neige, la pluie ou le brouillard peuvent entraver la capture d’images et réduire la qualité des données.
Les éléments à faible texture sont également difficiles à capturer et à identifier la profondeur, comme la neige ou le sable.
Comme pour le LiDAR, des occlusions peuvent se produire lors de la saisie des données, ce qui donne lieu à des modèles incomplets ou inexacts.
La précision de la photogrammétrie dépend de plusieurs facteurs : la qualité de l’image, l’étalonnage de la caméra et les algorithmes de traitement. Des erreurs peuvent se produire en raison d’un mauvais alignement de l’image, de distorsions de l’objectif ou d’un chevauchement insuffisant de l’image.
La résolution d’image réalisable est limitée par la résolution de la caméra et la distance par rapport à l’objet capturé, ce qui peut constituer une limitation pour les projets à grande échelle ou les exigences de détail élevé.

Avantages du LiDAR par rapport à la photogrammétrie

Il devrait maintenant être clair que le LiDAR et la photogrammétrie sont deux technologies très différentes. Les deux technologies ont leurs avantages, leurs limites et leurs cas d’utilisation préférés. Lorsque vous décidez d’investir dans le LiDAR ou la photogrammétrie, vous devez savoir que même si la photogrammétrie est moins chère que le LiDAR, les nombreux avantages du LiDAR l’emportent sur le prix plus bas de la photogrammétrie.

Voici quelques-uns des avantages du LiDAR par rapport à la photogrammétrie, malgré son prix plus élevé :

Le LiDAR mesure directement les distances entre les objets à l’aide d’impulsions laser, ce qui permet d’obtenir des nuages de points 3D extrêmement précis. En photogrammétrie, la mesure de la distance dépend de multiples facteurs qui augmentent potentiellement le risque d’erreurs.
Comme le LiDAR peut pénétrer le couvert végétal, il est particulièrement utile pour des applications telles que la sylviculture, la surveillance de l’environnement et l’archéologie.
Le LiDAR peut fonctionner de jour comme de nuit, alors que la photogrammétrie dépend de la lumière ambiante et est moins efficace dans des conditions de faible luminosité. En outre, elle fonctionne généralement mieux par temps couvert ou brumeux.
Les systèmes LiDAR permettent de collecter rapidement de grandes quantités de données sur des zones étendues. Le LiDAR fournit directement des informations spatiales en 3D, ce qui réduit la nécessité d’un post-traitement et d’une interprétation approfondis.
Le LiDAR peut fournir des données d’élévation absolue avec une grande précision et donne de bons résultats dans les zones à texture ou caractéristiques minimales, telles que les champs ouverts ou les étendues d’eau.

Un exemple de système LiDAR de haute précision est le YellowScan Explorer, une solution LiDAR compacte qui peut être montée sur des avions légers, des hélicoptères ou des plateformes UAV. Il est capable de détecter et de traiter jusqu’à cinq échos de cible par impulsion laser, ce qui garantit une pénétration optimale de la végétation. Ce système dispose également d’une caméra intégrée qui peut être utilisée à des fins de colorisation.

Nuage de points LiDAR colorisé

YellowScan Explorer monté sur un drone Hexadrone Tundra

Questions fréquemment posées

Pouvez-vous combiner LiDAR et photogrammétrie ?

Oui. Il est possible de capturer des données LiDAR et photogrammétriques de la même zone et de les fusionner, ce qui permet d’obtenir un modèle 3D unique contenant des informations précises sur l’élévation et la structure grâce au LiDAR, et des données photogrammétriques qui ajoutent des textures et des détails de couleur à haute résolution.

Quels sont les avantages de la combinaison du LiDAR et de la photogrammétrie ?

La combinaison du LiDAR et de la photogrammétrie offre la force de chaque technologie : Le LiDAR fournit des mesures de distance précises, tandis que la photogrammétrie ajoute des informations détaillées sur la texture et la couleur.

Qu'est-ce qu'un nuage de points colorisé ?

Un nuage de points colorisé est une représentation 3D qui combine les données spatiales précises du LiDAR avec les riches informations visuelles de l’imagerie photogrammétrique. Chaque point du nuage de points se voit attribuer une valeur de couleur, dérivée de l’imagerie photogrammétrique.