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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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