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RÉSUMÉ
Cet article présente les applications aux surfaces des mesures par télédétection par laser (LIDAR): altimétrie laser et LIDAR topographique (sol et bâti), LIDAR canopée (végétation et forêts) et LIDAR bathymétrique (milieux aquatiques). Il expose les méthodologies et la physique de la mesure pour chacune des applications : cibles dures, cibles foliaires, milieux aquatiques.
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Pierre H. FLAMANT : Doctorat d'État en Physique, Université Pierre & Marie Curie - Directeur de Recherche au CNRS
INTRODUCTION
Le lidar est une méthode de télédétection laser qui est utilisée en recherche et dans l'industrie pour caractériser les surfaces et l'atmosphère. L'abréviation « lidar » signifie : « LIght Detection And Ranging » sur le modèle de : radar, sodar ou sonar. Ce terme peut s‘appliquer indifféremment à un grand nombre d'instruments, de techniques et d'applications. Dans les faits, le lidar recouvre deux grands domaines d'activités et des communautés distinctes quant à leurs manières de traiter les problèmes. La communauté « atmosphère » est plutôt formée de groupes de recherche, chacun développant ses instruments et ses algorithmes de traitement du signal et d'analyse des données [E4310, E4311], tandis que la communauté « surface » se structure en utilisateurs institutionnels ou privés qui font appel à des sociétés de service équipées de lidars industriels et de logiciels standardisés.
Le présent article traite des lidars géophysiques, ou géolidars, pour les surfaces terrestres et l'exploration planétaire. Il présente la physique de la mesure, les méthodes, l'instrumentation et les applications. En tout premier lieu, le lidar utilise le temps de vol de la lumière pour connaître la distance aux cibles diffusantes. La mesure de distance à elle seule est d'une très grande importance pour les levées topographiques, la bathymétrie des milieux aquatiques et la géodésie. De plus, la mesure de l'intensité diffusée, de la dépolarisation de la lumière reçue et du spectre diffusé sert à caractériser les cibles.
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Lidar canopée
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2. Lidar topographique
2.1 Cibles
Les sols et les surfaces bâties (béton, briques, asphalte, etc.) sont des cibles surfaciques dures diffuses et/ou spéculaires impénétrables aux rayonnements laser, qui absorbent pour partie le rayonnement incident et qui renvoient le reste dans le demi-plan (4). La fraction diffusée détermine l'albédo (ou réflectance) : 0 ≤ ρ c ≤ 1. La 4 illustre les différents types de réflexion :
a) réflexion spéculaire (comme par un miroir), aucune lumière laser n'est renvoyée vers le lidar, le récepteur du lidar ne voit pas la cible !
b) réflexion complètement diffuse ou lambertienne : le rayonnement laser est diffusé dans le demi-plan supérieur (2π sr). L'indicatrice de diffusion en cos ζ pour l'intensité diffusée Iζ (en W. sr1) est sphérique, et le récepteur voit la cible ;
c) réflexion plutôt spéculaire : très peu de lumière est renvoyée vers le lidar ;
d) réflexion majoritairement diffuse avec composante dans la direction spéculaire ;
e) réflexion diffuse avec composante rétro-réfléchie forte dans le sens opposé au faisceau laser incident (point chaud ou « hot spot »).
HAUT DE PAGE2.2 Bilan de liaison
Le bilan de liaison de la mesure lidar sur cible surfacique dure diffuse peut être suivi étape par étape :
1) émission au temps t = 0, d'une impulsion laser de courte durée t< ;
2) propagation aller du rayonnement laser dans l'air ;
3) réflexion diffuse par la cible ;
4) réception par le télescope d'une petite partie de la lumière diffusée après propagation retour dans l'air ; le signal optique lidar est la somme des ondelettes renvoyées par chacun des points de la cible (3) ;
5) détection au temps t de la lumière reçue par le télescope ;
6) conversion en signal...
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Lidar topographique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BALTSAVIAS (E.) - Airborne laser scanning : existing systems and firms and other resources - I. SPRS J of Photogrammetry & remote Sensing, 54, 164 – 198 (1999).
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(2) - WESTBERRY (T.), DALL'OLMO (G.), BOSS(E.), BEHRENFELD (M.), MOUTIN (T.) - Coherence of particulate beam attenuation and backscattering coefficients in diverse open ocean environments - . Optics Express, 18, 15419 – 15425 (2010).
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(3) - EVANS (J.), HUDAK (A.), FAUX (R.), Smith (A.) - Discrete return lidar in natural resources : recommendations for project planning, data processing, and deliverables - . Remote Sens., 1, 776 – 794 (2009).
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(4) - GARVIN (J.), BUFTON (J.), BLAIR (J.), HARDING (D.), LUTHCKE (S.), FRAWLEY (J.), ROWLANDS (D.) - Observations of the Earth's topography from the Shuttle Laser Altimeter (SLA) : Laser-pulse echo-recovery measurements of terrestrial surfaces - . Phys. Chem. Earth, 23, 1053 – 1068 (1998).
-
(5) - GUENTHER (G.), CUNNINGHAM (A.), LAROCQUE (P.), REID (D.) - Meeting the accuracy challenge in airborne lidar bathymetry - . Proceedings of EARSel-SIG-Workshop...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Lidars atmosphériques et météorologiques. Principes fondamentaux
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Lidars atmosphériques et météorologiques. Méthodes et applications
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Lidars sous-marins
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Conception de systèmes optroniques
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