Utilisation des LiDARs aéroportés et terrestres : Application à la foresterie

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1 Utilisation des LiDARs aéroportés et terrestres : Application à la foresterie Richard Fournier (Université de Sherbrooke) et Benoît St-Onge (UQAM) Atelier UQAT 12 juin 2007

2 Laser imageur Émission du rayonnement (proche infrarouge) Réflexion et détection du rayonnement Distance = ( c * t ) / 2 c: vitesse de la lumière t: temps entre l émission et la détection Balayage de l image Dimension des pixels: 15 mm à 15 m Plus de 1 millions de points sont capturés

3 Laser imageur Premier retour et dernier retour LIDAR aéroporté LIDAR au sol Point du premier retour Point du dernier retour Une partie du signal est transmis à travers certains types de matériel Le laser peut enregistrer 2 types de points: le premier ou le dernier retour du rayonnement émis. Selon le mode, l information est différente. Exemple du LIDAR aéroporté: premier retour: dessus du couvert forestier dernier retour: sol

4 Laser imageur LIDAR aéroporté LIDAR: Light Detection And Ranging Avant, les données du LIDAR aéroporté étaient acquises seulement comme une mesure de la hauteur le long de la ligne de vol de l avion. Aujourd hui, des améliorations techniques permettent d avoir des images LIDAR 3D à l aide de miroirs rotatifs. La distance est calculée à partir de la différence de temps entre l émission et la détection OU de la différence de phase entre les rayonnements émis et réfléchis.

5 Types de retours t t A t A A

6 Les impulsion lidar sont reflétées par la surface du feuillage mais peuvent pénétrer jusqu au sol Gracieuseté Juha Hyyppa

7 Les différents retours t Échantillonnage de l amplitude bruit 1 er retour retours intermédiaires Dernier retour A

8 Semis de points lidar Les données prennent donc la forme de semis de points XYZ plus ou moins réguliers.

9 Types de capteurs lidar Profileurs Balayeurs À retours discrets (désuet) À échantillonnage d amplitude (full waveform) À retours discrets (systèmes commerciaux actuels) À petite empreinte (quelques dm) (désuet) À large empreinte (plusieurs m) (applications scientifiques) À échantillonnage d amplitude (full waveform) (applications forestières de pointe)

10 Les couches matricielles caractéristiques Modèle numérique de surface (MNS) Modèle numérique de terrain (MNT) Modèle de hauteur de canopée (MHC)

11 Laser Imageur Applications du LIDAR Mesure de la clarté de l atmosphère Lorsque le laser est orienté vers le ciel, il est possible de mesurer l épaisseur optique. MNA de précision (Modèle numérique d altitude) Les nuages de points sont utilisés pour construire des MNA avec une précision verticale de 0,15 à 1 mètre. Les MNA du LIDAR ont été utilisés largement en milieu urbain: planification des routes, design des systèmes de communication sans fil. Source:

12 Laser imageur LIDAR au sol I-SiTE 4400 (I- SiTE Pty Ltd) DeltaSphere 3000 (3rd Tech) iqsun 880 (iqvolution) LaserAce (Measurement Devices Ltd) HDS4500 (Leica Goesystems HDS) Ilris-3D (Optech) 40 degrés 40 degrés Récemment, des développements techniques du laser imageur Ilris-3D permettent de faire un balayage hémisphérique. Ilris-3 6 D (Optech)

13 Laser imageur Nuages de points Ilris-3D Tokyo CN Tower Images: Collines (Guadeloupe)

14 Laser imageur LIDAR au sol Ilris-3D (Optech) Monté sur trépied Contrôlé à l aide d un palm Balayage de 40 X 40 degrés Nuage de points tridimensionnel Acquiert plus d un million de points avec une précision millimétrique. Longueur d onde du laser: 1500 nm Le laser imageur 3D permet d enregistrer la structure d un objet, et ce fait de façon rapide et précise.

15 Ilris-3D Applications Génie civil: Urbanisme Facilite la plannification: localisation des services publics, des routes, etc. Possibilité de convertir les nuages de points en formats CAD: création de plans tridimensionnels. Extraction d une topographie de haute précision. Possibilité de géoréférencer les nuages de points en utilisant des cibles-gps. Animation - Faculté des Lettres et Sciences Humaines Images from

16 Ilris-3D Applications (génie civil) Surveillance de structure: Analyse structurelle d un pont Surveillance de structure: Tour et poteaux Pont de Tallahassee, Floride Le laseur imageur est utilisé pour détecter des déviations de l ordre du millimètre en comparant deux images de différentes dates. La méthode est rapide et précise.

17 Ilris-3D Applications (génie civil) Surveillance de structure : barrage hydroélectrique Ilris-3D a déjà été utilisé à: Hoover Dam (États-Unis), Hoengseong Dam (Corée du Sud), Porjus Dam (Suède) Hoover Dam Nuages de pts Ilris Modèle solide Un barrage hydroélectrique doit résister à une très forte pression d eau. Tout changement dans la structure du barrage doit être détecté rapidement. Création d un modèle solide à partir du nuage de points. Les mesures sont réalisées à partir du modèle solide pour détecter les changements. Cette méthode est plus précise que l utilisation de GPS et de stations totales. Images:

18 Ilris-3D Applications (architecture - industrie) Architecture: Conservation historique Planification des rénovations Industrie: Plans d ingénierie EXAMPLES: Facilite la détection de conflits spatiaux entre des tuyaux, etc Images:

19 Ilris-3D Applications (géologie industrie minière) Géologie: Identification des types de roche Surface détaillée de la roche Images from Industrie minière: Localision des trous d explosion des mines à ciel ouvert. Balayage avant et après l explosion: 2 wireframes models sont générés à partir des nuages de points Calcul du volume

20 Ilris-3D Applications (Enquêtes médico-légales ) Reconstruction d accident Images:

21 LIDAR aéroporté Mesure de l élévation du couvert forestier La différence entre le premier et le dernier retour donne directement la hauteur du couvert forestier. Source: Estimation of individual tree heights using LIDAR remote sensing, Kevin Lim et al. Source: Modèle d élévation du couvert forestier obtenu à partir de données LIDAR aéroporté

22 LIDAR aéroporté et LIDAR au sol Comparaison de la hauteur: LIDAR aéroporté (ALTM) et points Ilris ILRIS 3D Airborne LIDAR Source: Hopkinsons and al La majorité des points du LIDAR aéroporté proviennent du dessus du couvert forestier et du sol. Le LIDAR au sol donne une représentation de la structure de la forêt sous la canopée.

23 Le laser imageur au sol procure des représentation 3D de haute précision de la forêt, contrairement aux techniques d inventaire traditionnelles. Des recherches sont présentemment en cours pour évaluer la possibilité d utilisation de ces images pour estimer: Volume de bois LAI (leaf index area) DBH Biomasse Densité Hauteur Source: Hopkinsons and al. 2002

24 Pin rouge, Automne 2004 Campus de l Université de Sherbrooke Peuplement de feuillus Juillet 2005 Parc Feeney, Québec Érable, Québec, été 2005

25 Données collectées en octobre 2005 sur l île Vancouver, Colombie- Britannique (Canada) Sapin de Douglas Cèdre Pruche 1 Pruche 2

26 Données collectées en octobre 2005 sur l île Vancouver, Colombie- Britannique (Canada) Peuplement de conifères Configuration: 5 perspectives N Note: image de gauche vue à partir du point 1

27 Fusion de balayage de différentes perspectives ou différentes positions Avantage Plus de perspectives diminue l effet d ombrage (plus de détails) Désavantages L alignement des images demande un certain temps et peu parfois être difficile s il n y a pas de recouvrement suffisant entre 2 images. Redondance du même point dans 2 balayages différents. Configuration de balayage N N Les balayages de différentes perspectives n ont pas le même système de coordonnées. Les images doivent donc être alignées. L alignement est plus précis lorsque l angle entre les balayages est inférieur à environ 100 degrés. N

28 Alignement de deux perspectives: Alignement des images -Manuellement: Transformation du système de référence (rotation, translation, changement d échelle). - Automatiquement: Couplage de points identiques, algorithmes d alignement. Animation - Alignement de 4 perspectives Érable rouge Vue du dessus Érable rouge

29 Application en foresterie Mesures du DHP et de la hauteur Érable rouge Hauteur = 10,4 m Coupe du tronc de l érable rouge vue du dessus DHP = 40,4 cm DHP mesuré manuellement = 40,1 cm

30 Effet d obstruction du signal ou effet d ombrage Effet d ombrage pour un arbre individuel: Érable rouge - pénétration du signal (Vue du dessus) Densité de points + ILRIS-3D

31 Effet d obstruction du signal ou effet d ombrage

32 Effet d obstruction du signal ou effet d ombrage Effet d ombrage dans le peuplement de conifères: les images de droite représentent une vue de côté des arbres en rouge sur l image de gauche. Vue du dessus POINT 2 Vues de différentes perspectives des arbres en rouge: POINT 1 Tous les points PT 1 PT 2 PT 3 Pénétration du signal: POINT 3 Pénétration importante du signal (environ 42 m) Effet d ombrage important Image de moins bonne qualité (moins de points)

33 Effet d obstruction du signal ou effet d ombrage Exemple d effet d ombrage entre deux arbres: Ces images montrent un érable du fleuve amour qui est obstrué par un pin rouge. On peut remarquer que la qualité de l image de l érable est inférieur à celle du pin. érable Dessus Côté Pin Devant érable Pin Érable Pin

34 Effet d obstruction du signal ou effet d ombrage À cause de l effet d ombrage, les arbres loin de l instrument sont souvent de moins bonne qualité. La mesure des paramètres biophysiques de certains arbres pourraient être impossible dans le cas où l effet d ombrage est très important. Donc, la distance effective d un balayage dépend fortement de la densité du peuplement. Espèces Épinette de Sitka et pin lodgepole Épinette de Sitka Densité (arbres/ha) 2800 arbres/ha 600 arbres/ha Distance effective du balayage ~8 m > 30 m Source: Measuring forest structure with terrestrial laser scanning. P.J. Watt, D.N.M. Donoghue. University of Durham, England.

35 Effet du vent Le vent cause du bruit dans l image: la représentation de la structure fine (petites branches, feuilles) de l arbre est difficile lorsque le vent est trop fort. Même le tronc peut être déformé lorsqu il y a des rafales (surtout dans le cas des arbres les plus élevés). Avec feuilles Sans feuilles Animations avec un vent moyen de plus de 1 m/s (Érable rouge)

36 Images de feuillus SANS FEUILES ÉRABLE ROUGE DEVANT COTÉ DESSUS AVEC FEUILLES

37 Premier et dernier retour Le mode est sélectionné avant le balayage: premier ou dernier retour. L image et l information que l on peut en tirer est différente selon le mode. Point du dernier retour Point du premier retour Le premier retour donne plus de détails sur la première structures que le rayonnement atteint. Donc, l image des branches frontales de l arbre est meilleure dans ce mode. Lorsqu un objet est obstrué: le premier retour est capable de capturer la structure fine (petites branches) alors que le dernier retour est plus approprié pour reproduire la structure dense (ex.: troncs, grosses branches).

38 Le premier retour est plus sensible à l effet d ombrage. Images d un pin rouge (20 m de l instrument), le dessus d un second second pin rouge (30 m de l instrument) et un érable du fleuve amour (30 m de l instrument) PIN ROUGE Premier et dernier retour PIN ROUGE PREMIER RETOUR Donc, les images en mode dernier retour sont de meilleures qualité que celles en mode premier retour dans le cas des arbres obstrués. ÉRABLE DERNIER RETOUR

39 Premier et dernier retour Comparaison de la densité de points entre les images du premier et du dernier retour des images du peuplement de conifères (4 perspectives) PREMIER RETOUR VUE DU DESSUS DERNIER RETOUR

40 DENSITÉ DE POINTS PREMIER RETOUR DENSITÉ PREMIER RETOUR DENSITÉ DERNIER RETOUR Premier et dernier retour Comparaison de la densité de points entre les images du premier et du dernier retour des images du peuplement de conifères (4 perspectives) VUE DU DESSUS DIFFÉRENCE DE LA DENSITÉ DE POINTS DENSITÉ DE POINTS DERNIER RETOUR

41 Espacement entre les rayons L espacement entre les rayons peut être ajusté pour différents niveaux de détails. Quelques exemples de résolution (érable rouge à environ 15 m du laser): Longueur du rayon 13,7 mm Espacement = ½ X rayon Espacement = rayon Espacement = 2, 5 X rayons 6,9 mm 13,7 mm 34,3 mm 10 m ILRIS ILRIS ILRIS ILRIS + Densité de points

42 Des données LIDAR aéroporté ont été acquises en sur l île de Vancouver Vue en perspective de la topographie construite à partir des données LIDAR aéroporté sur laquelle sont superposés les points GPS provenant du balayage du peuplement de conifères (Malahat, Ile de Vancouver, C.-B., Canada)

43 Nous pouvons soutirer des données aéroportés les régions correspond au balayage Ilris. Les données LIDAR aéroporté peuvent alors être comparées aux données plus précises acquises à l aide du Ilris. Peuplement de conifères LIDAR aéroporté LIDAR aéroporté Ilris-3D

44 Peuplement de conifères LIDAR aéroporté Ilris-3D

45 REMERCIEMENTS: Guy Côté, MCG3D (Québec, QC, Canada) Gordon Frazer, Victoria University (Victoria, B.-C., Canada)