par Camille Hamet | 22 février 2018

Apollo 15

Le 26 juillet 1971 à 13 heures 34 UTC, la fusée Saturn V décol­­lait du centre spatial Kennedy, marquant ainsi le début de la mission spatiale Apollo 15. Cette mission fut la première à faire inter­­­ve­­nir le rover lunaire, qui effec­­tua trois sorties en 67 heures et parcou­­rut 27,9 kilo­­mètres. Mais elle fut égale­­ment la première à faire inter­­­ve­­nir le LiDAR. Imagi­­née en 1930 par le physi­­cien irlan­­dais Edward Hutchin­­son Synge, cette tech­­no­­lo­­gie permet notam­­ment de mesu­­rer un objet à distance.

Crédits : NASA

En l’oc­­cur­­rence, elle a permis aux êtres humains de carto­­gra­­phier la Lune. Comme l’ex­­plique un scien­­ti­­fique de la NASA, le Dr James Abshire, « le lidar était basé sur un laser à rubis pompé par une lampe flash, et les missions Apollo 15–17 l’ont utilisé pour faire plusieurs milliers de mesures de la hauteur de la surface lunaire à partir de l’or­­bite ». Car, contrai­­re­­ment au radar qui utilise les ondes radio, ou encore au sonar qui utilise les ondes acous­­tiques, le LiDAR utilise les ondes lumi­­neuses.

Voilà pourquoi le physi­­cien britan­­nique James Ring explique que son nom provient d’une contrac­­tion des termes « light » et « radar » dans son ouvrage The Laser in Astro­­nomy, paru en 1963. La tech­­no­­lo­­gie commence alors à se déve­­lop­­per grâce à l’in­­ven­­tion des premiers lasers par le physi­­cien améri­­cain Theo­­dore Maiman. Ceux-ci sont prin­­ci­­pa­­le­­ment utili­­sés en météo­­ro­­lo­­gie, mais on leur prête déjà d’autres ambi­­tions. « Depuis son inven­­tion, il y a seule­­ment trois ans, le laser a stimulé l’ima­­gi­­na­­tion des scien­­ti­­fiques dans pratique­­ment tous les domaines d’ac­­ti­­vité », peut-on lire dans le Bulle­­tin of the Ameri­­can Meteo­­ro­­lo­­gi­­cal Society de septembre 1963. « Les proprié­­tés inha­­bi­­tuelles du fais­­ceau laser ont ouvert à la recherche une zone inex­­plo­­rée dans le large spectre du rayon­­ne­­ment élec­­tro­­ma­­gné­­tique. Le laser rend main­­te­­nant possibles l’ex­­ploi­­ta­­tion de l’éner­­gie du rayon­­ne­­ment élec­­tro­­ma­­gné­­tique et la mise en forme de ses proprié­­tés optiques. »

Dès les années 1970, le mot « LiDAR » est compris comme un acro­­nyme de « Light Detec­­tion And Ranging », ou encore de « Laser Imaging Detec­­tion And Ranging » – « détec­­tion et esti­­ma­­tion de la distance par la lumière ». Dans les années 1980, l’avè­­ne­­ment des lasers pompés par diode permet d’amé­­lio­­rer consi­­dé­­ra­­ble­­ment l’ef­­fi­­ca­­cité et la réso­­lu­­tion de la tech­­no­­lo­­gie qu’il désigne.

« Ces avan­­cées ont été utili­­sées dans les missions spatiales de la NASA pour carto­­gra­­phier la forme et la topo­­gra­­phie de Mars avec plus de 600 millions de mesures, démon­­trer les mesures initiales de la topo­­gra­­phie de la Terre et mesu­­rer la forme détaillée de son asté­­roïde », raconte James Abshire. « Le lidar orbi­­tal a égale­­ment été utilisé dans des expé­­riences pour démon­­trer la distance laser sur des distances plané­­taires, y compris la trans­­mis­­sion d’im­­pul­­sions lasers de la Terre vers l’or­­bite de Mars. Basé sur la valeur démon­­trée de ces mesures, le lidar est main­­te­­nant l’ap­­proche de mesure préfé­­rée pour beau­­coup de nouvelles missions spatiales scien­­ti­­fiques. »

Mais ses appli­­ca­­tions ne s’ar­­rêtent pas là. Après s’être rendu indis­­pen­­sable aux astro­­nomes, le LiDAR a boule­­versé l’ar­­chéo­­lo­­gie et accé­­léré le déve­­lop­­pe­­ment des voitures auto­­nomes, entre autres prouesses.

Défo­­res­­ta­­tion virtuelle

Les premières expé­­riences d’ap­­pli­­ca­­tion du LiDAR à l’ar­­chéo­­lo­­gie datent des années 2000 et elles ont eu lieu en Europe. Aujourd’­­hui, il ne se passe quasi­­ment plus un mois sans que nous appre­­nions que cette tech­­no­­lo­­gie a permis une nouvelle décou­­verte dans le monde. Ce mois-ci, il s’agit de milliers de bâti­­ments mayas, dissi­­mu­­lés par la cano­­pée de la jungle guaté­­mal­­tèque pendant des siècles. Un bien maigre obstacle pour un LiDAR aéro­­porté, qui peut détec­­ter tous les détails au sol, y compris sous le plus épais des couverts fores­­tiers. L’en­­semble des points enre­­gis­­trés au cours du survol est ensuite filtré à l’aide d’al­­go­­rithmes très puis­­sants afin de réali­­ser un modèle numé­­rique du terrain via des resti­­tu­­tions photo­­gram­­mé­­triques en 3D. Une carto­­gra­­phie qui s’étend cette fois sur 2 100 km2  au nord du dépar­­te­­ment du Péten, et couvre plus parti­­cu­­liè­­re­­ment la réserve de biosphère maya créée en 1990.

En tout, 60 000 struc­­tures mayas ont ainsi été révé­­lées. Des pyra­­mides, des palais, des centres céré­­mo­­niels, mais aussi des parcelles culti­­vées et des habi­­ta­­tions, formant au total « une douzaine de cités ». « Les terrasses et les champs de culture irri­­gués, les sites forti­­fiés et les grandes chaus­­sées révèlent des modi­­fi­­ca­­tions du paysage natu­­rel faites par les Mayas à une échelle inima­­gi­­nable », insiste Fran­­cisco Estrada-Belli, profes­­seur d’ar­­chéo­­lo­­gie à l’uni­­ver­­sité Tulane. « Les guerres mayas ont fait l’objet de recherches pendant des décen­­nies, se concen­­trant souvent sur l’ef­­fon­­dre­­ment des sites clas­­siques », rappelle pour sa part Thomas Garri­­son, profes­­seur d’ar­­chéo­­lo­­gie à l’Ithaca College. Or « le lidar révèle la mani­­fes­­ta­­tion physique de ces conflits passés d’une manière qui montre qu’ils étaient un facteur déter­­mi­­nant dans l’an­­cienne culture maya, et qu’ils ont proba­­ble­­ment façonné l’émer­­gence et le déve­­lop­­pe­­ment de certaines de leurs plus grandes villes », note-t-il.

Outre cette décou­­verte fantas­­tique, le LiDAR a notam­­ment permis de révé­­ler l’exis­­tence d’une cité perdue au Mexique, qui comp­­tait à son apogée autant de bâti­­ments que l’île de Manhat­­tan ; des villes khmères cachées dans la jungle cambod­­gienne ; ou bien une forte­­resse viking datant du Xe siècle au Dane­­mark.

En réali­­sant des rele­­vés de la topo­­gra­­phie et de la struc­­ture des forêts, il permet aussi de déve­­lop­­per des modèles de prédic­­tion de leur évolu­­tion et son usage s’est géné­­ra­­lisé, dans leur obser­­va­­tion comme dans leur gestion. Il va en outre permettre au Royaume-Uni de carto­­gra­­phier l’en­­semble de son terri­­toire d’ici 2020. « Ce projet ambi­­tieux amélio­­rera notre compré­­hen­­sion des carac­­té­­ris­­tiques natu­­relles et du paysage unique de l’An­­gle­­terre, en nous aidant à mieux comprendre le risque d’inon­­da­­tion, à plani­­fier des défenses effi­­caces et à lutter contre la crimi­­na­­lité liée aux déchets », affirme le direc­­teur de l’Agence britan­­nique pour l’en­­vi­­ron­­ne­­ment, James Bevan. « Je suis heureux que nous soyons en mesure de recueillir, d’uti­­li­­ser et de parta­­ger des données si précieuses pour contri­­buer à l’amé­­lio­­ra­­tion de l’en­­vi­­ron­­ne­­ment et de sa conser­­va­­tion. »

Les merveilles décou­­vertes grâce au LiDAR dans la jungle guaté­­mal­­tèque
Crédits : Albert Lin/Natio­­nal Geogra­­phic

Mais à mille lieues des forêts, des jungles et des collines verdoyantes de la campagne anglaise, le LiDAR semble surtout deve­­nir indis­­pen­­sable en envi­­ron­­ne­­ment urbain, où il sert d’yeux aux véhi­­cules auto­­nomes actuels.

Scan­­ner sombre

Selon un rapport du cabi­­net d’ana­­lystes Frost & Sulli­­van datant de 2016, envi­­ron 90 % des projets du secteur s’ap­­puient sur cette tech­­no­­lo­­gie pour détec­­ter les obstacles et produire une image précise de l’en­­vi­­ron­­ne­­ment routier. Il n’était donc pas éton­­nant de la retrou­­ver au cœur du diffé­­rend judi­­ciaire qui a opposé la filiale de Google dédiée aux véhi­­cules auto­­nomes, Waymo, au géant du VTC, Uber, et s’est réglé à l’amiable le 9 février dernier. La première accu­­sait en effet le second d’avoir recruté son ingé­­nieur vedette, Anthony Levan­­dowski, pour béné­­fi­­cier de secrets indus­­triels sur son LiDAR.

Ne compre­­nant pas de péna­­lité en liqui­­di­­tés, l’ac­­cord ne met pas en péril le programme de véhi­­cules auto­­nomes déve­­loppé par Uber, mais il ne lui permet pas non plus de rattra­­per Waymo dans ce domaine. Ni même Gene­­ral Motors, qui a fait l’ac­qui­­si­­tion du fabri­­cant de Lidar Strobe en octobre 2017. Le même mois, Ford s’of­­frait la start-up spécia­­li­­sée Prin­­ce­­ton Light­­wave à travers sa filiale Argo AI.

Seul réfrac­­taire notable du secteur, Tesla préfère pour sa part s’ap­­puyer sur une combi­­nai­­son de radars, de camé­­ras et de capteurs à ultra­­sons. « [Le LiDAR] est comme une béquille qui va offrir aux construc­­teurs un confort maxi­­mum duquel ils ne pour­­ront pas sortir », justi­­fie son PDG, Elon Musk. « Peut-être que j’ai tort et que je vais avoir l’air d’un idiot. Mais je suis quasi sûr de moi. » Et de fait, les voitures de Tesla proposent déjà des fonc­­tion­­na­­li­­tés s’ap­­pa­­ren­­tant à la conduite auto­­nome. Réunies sous l’op­­tion « Auto­­pi­­lote », elles leur permettent de prendre les commandes dans certaines condi­­tions.

Le LiDAR utilisé par un système de conduite auto­­nome
Crédits : Lumi­­nar Tech­­no­­lo­­gies

De l’aveu même d’Elon Musk, Tesla doit encore « résoudre le problème de la recon­­nais­­sance optique passive pour une conduite auto­­nome dans tous les envi­­ron­­ne­­ments et dans toutes les condi­­tions » mais, dit-il, « utili­­ser des optiques actives comme le LiDAR, inca­­pable de lire des panneaux de signa­­li­­sa­­tion, n’a aucun sens. C’est cher et cela va augmen­­ter les coûts. »

Car le LiDAR est une tech­­no­­lo­­gie parti­­cu­­liè­­re­­ment onéreuse. Certaines pièces peuvent être factu­­rées entre 70 000 et 80 000 euros. Ce qui est tout à fait incom­­pa­­tible avec la commer­­cia­­li­­sa­­tion à grande échelle d’un véhi­­cule. Les indus­­triels en sont conscients, et ils multi­­plient les initia­­tives pour divi­­ser leurs coûts de produc­­tion. Velo­­dyne LiDAR a notam­­ment réduit de 50 % le coût de son VLP-16 Puck en tirant « parti de tech­­niques de fabri­­ca­­tion avan­­cées et ratio­­na­­li­­sées » dans son usine de San José, aux États-Unis. « Avec cette réduc­­tion des coûts, nous pour­­rons four­­nir un plus grand nombre de Pucks à un plus grand nombre de clients, soute­­nir le nombre crois­­sant de parcs de déve­­lop­­pe­­ment de véhi­­cules auto­­nomes à travers le monde, et commen­­cer à créer un avenir meilleur », assure son PDG, David Hall. « Notre objec­­tif est de démo­­cra­­ti­­ser la sécu­­rité du trans­­port en la rendant acces­­sible au plus vite à chaque homme, femme et enfant dans le monde. » Et donc de rester à la pointe d’un marché qui pour­­rait bien peser 13 milliards de dollars en 2027.

Quoi qu’il en soit, le LiDAR et ses impul­­sions de lumière infra­­rouge conti­­nuera encore long­­temps de faire avan­­cer la recherche et l’in­­no­­va­­tion, et ses images uniques de frap­­per l’ima­­gi­­na­­tion. Certains créa­­teurs s’en sont déjà empa­­rés, à l’image de Radio­­head pour son clip « House of Cards », ou du studio de déve­­lop­­pe­­ment de jeux vidéo Intro­­ver­­sion Soft­­ware pour son inquié­­tant jeu d’ex­­plo­­ra­­tion Scan­­ner Sombre.

Combien de merveilles tapies loin des regards révé­­lera-t-il encore, combien de machines dotera-t-il d’une vision ?

Une image extraite de Scan­­ner Sombre
Crédits : Intro­­ver­­sion Soft­­ware

Couver­­ture : Los Angeles vue par un LiDAR. (DR)


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