LiDAR aérien ou photogrammétrie – le comparatif

Le LiDAR aérien et la photogrammétrie produisent tous deux des nuages de points tridimensionnels géoréférencés. Cette similarité de livrable masque une différence de nature qui détermine ce que chacun permet.Le premier mesure des distances, le second reconstruit une géométrie à partir de plusieurs images. Cet article expose ce que cette différence implique et comment arbitrer. Il prolonge l’article consacré au LiDAR aérien.

Deux principes différents

Une différence fondatrice sépare ces deux techniques d’acquisition et elle explique tout ce qui suit.Le LiDAR aérien émet une impulsion et mesure son temps de retour, ce qui donne une distance directement. La mesure est active et elle ne dépend d’aucune interprétation.La photogrammétrie acquiert plusieurs images d’une même zone sous des angles différents, identifie les points correspondants entre elles et en déduit une position par intersection. La mesure est passive et elle repose sur une mise en correspondance.Trois conséquences en découlent immédiatement pour un projet. La photogrammétrie exige que les points soient identifiables sur plusieurs images, ce qui suppose de la texture. Elle exige un éclairement, donc une acquisition diurne et par temps clair. Et elle ne peut mesurer que ce qui est visible depuis plusieurs points de vue.Le LiDAR aérien ne rencontre aucune de ces trois contraintes, ce qui constitue son avantage principal.

La question du couvert végétal

Une différence domine cette comparaison et elle tranche la plupart des arbitrages.Une impulsion laser se divise en rencontrant un couvert végétal, une partie traversant et atteignant parfois le sol, propriété que l’article d’ouverture a détaillée.La photogrammétrie ne peut pas reproduire ce comportement. Elle reconstruit ce qui est visible, c’est-à-dire le sommet du couvert, et le sol sous forêt lui échappe entièrement.Trois conséquences pratiques en découlent directement. Un modèle de terrain sous couvert forestier n’est obtenable qu’en LiDAR aérien. Un modèle de surface est obtenable par les deux techniques avec une qualité comparable. Et une mesure de hauteur de végétation demande le premier, la différence entre surface et terrain supposant de connaître les deux.Cette distinction tranche à elle seule les projets forestiers, hydrologiques et archéologiques, où le sol sous végétation constitue l’information recherchée.

La question de la texture

Une contrainte inverse limite la photogrammétrie et elle mérite également d’être posée.La mise en correspondance entre images exige des motifs identifiables. Une surface uniforme ne fournit aucun point de repère, ce qui produit une reconstruction erronée ou absente.Quatre situations la mettent nettement en défaut. Les surfaces d’eau, dont l’apparence change entre les prises de vue. Les surfaces uniformes, sable, neige ou toiture homogène. Les zones d’ombre, où le contraste est insuffisant. Et les surfaces réfléchissantes, dont l’apparence dépend de l’angle d’observation.Le LiDAR aérien rencontre une difficulté sur l’eau, l’absorption du laser produisant une absence de retour, mais il traite sans difficulté les trois autres situations.

La précision comparée

Une comparaison technique mérite ici d’être nuancée car les deux techniques ne se dégradent pas de la même façon.En précision verticale, le LiDAR aérien est nettement supérieur. La mesure de distance est directe et l’erreur reste stable quelles que soient les conditions.En précision horizontale, l’écart se resserre. La photogrammétrie à haute résolution atteint des précisions comparables sur des surfaces texturées et bien éclairées.En densité de points, la photogrammétrie peut dépasser le LiDAR aérien sur des surfaces favorables, une corrélation dense produisant un point par pixel d’image.Et en homogénéité, le LiDAR aérien est supérieur, sa précision variant peu selon la nature de la surface là où celle de la photogrammétrie s’effondre sur les surfaces sans texture.Une observation importante en découle nécessairement. Une comparaison sur une zone favorable, urbaine et texturée, favorise la photogrammétrie ; la même comparaison sur une zone forestière ou uniforme inverse le résultat, ce qui rend toute comparaison générale trompeuse.

Le coût comparé

Une différence économique explique largement la persistance des deux techniques.La photogrammétrie emploie des capteurs nettement moins coûteux, un appareil photographique de qualité coûtant une fraction d’un scanner laser.Elle demande en revanche davantage de recouvrement entre les prises de vue, donc davantage de lignes de vol pour une même surface, ce qui augmente le temps d’acquisition.Le traitement photogrammétrique est plus lourd en calcul, la mise en correspondance et la reconstruction demandant des ressources importantes.Et le LiDAR aérien produit un livrable exploitable plus directement, la classification étant la seule étape lourde là où la photogrammétrie ajoute la reconstruction.Une conséquence pratique importante en découle pour les petites emprises. Un drone photogrammétrique constitue la solution la plus économique sur quelques hectares, quand un relevé LiDAR aérien devient compétitif dès que la surface croît ou que le couvert végétal intervient.

La couleur, avantage de la photogrammétrie

Un avantage propre à la seconde technique mérite d’être signalé car il pèse dans certains usages.Un point photogrammétrique porte nativement une couleur, celle du pixel dont il est issu, ce qui produit un nuage directement interprétable visuellement.Un point LiDAR aérien ne porte aucune couleur, seulement une intensité de retour dont l’interprétation est délicate.Trois conséquences en découlent. L’annotation photogrammétrique est plus intuitive, un annotateur reconnaissant les objets par leur apparence autant que par leur forme. La production d’un modèle texturé est immédiate, ce qui compte pour la visualisation et la communication. Et l’identification de nature de surface est possible, ce que la géométrie seule ne permet pas.Une réponse existe côté LiDAR aérien et elle mérite largement d’être connue. La colorisation d’un nuage de points par une imagerie acquise simultanément combine les deux avantages, opération courante et qu’un article de cette série détaille.

Les contraintes opérationnelles

Quatre différences pratiques distinguent les deux techniques au moment de l’acquisition et elles pèsent davantage que les considérations théoriques.La fenêtre météorologique diffère nettement. La photogrammétrie exige un ciel dégagé et un éclairement homogène, ce qui restreint fortement les créneaux disponibles dans les régions couvertes. Le LiDAR aérien tolère la couverture nuageuse tant que le plafond reste au dessus de l’altitude de vol.La fenêtre horaire diffère également. La photogrammétrie évite les heures d’ombres longues, ce qui réduit la journée utile à quelques heures autour du midi solaire. Le LiDAR aérien vole indifféremment, y compris de nuit, ce qui double la capacité quotidienne d’un porteur.La contrainte de recouvrement pèse sur la photogrammétrie, qui exige que chaque point apparaisse sur plusieurs images, donc des lignes de vol rapprochées.Et le délai de traitement diffère, la reconstruction photogrammétrique demandant un temps de calcul important là où un relevé LiDAR aérien est exploitable rapidement après la géoréférence.Ces quatre contraintes expliquent une part du coût réel. Une campagne photogrammétrique peut attendre des semaines une fenêtre favorable, immobilisation que le devis initial ne reflète pas.

Les usages qui tranchent

Cinq configurations déterminent le choix sans ambiguïté et il vaut la peine de les identifier.Le sol sous couvert forestier impose le LiDAR aérien, la photogrammétrie ne le mesurant pas.La mesure de hauteur de végétation impose également le LiDAR aérien, pour la même raison.Les petites emprises sans végétation dense favorisent nettement la photogrammétrie par drone, dont le coût de mise en œuvre est modeste.Les linéaires étroits, réseaux et infrastructures, favorisent le LiDAR aérien héliporté, dont la précision géométrique et la capacité à mesurer des câbles fins sont déterminantes.Et les projets exigeant une texture, modélisation urbaine destinée à la visualisation notamment, favorisent la photogrammétrie ou une combinaison.

La combinaison des deux

Une configuration mérite d’être décrite car elle constitue souvent la meilleure réponse.Les deux techniques se combinent naturellement, leurs forces et leurs faiblesses étant complémentaires.Trois montages différents sont employés en pratique. L’acquisition simultanée, un porteur emportant les deux capteurs, ce qui garantit la coïncidence géométrique et temporelle. La colorisation d’un nuage LiDAR aérien par une imagerie séparée, plus simple et supposant un recalage. Et l’usage séquentiel, une photogrammétrie fréquente complétant un relevé LiDAR aérien de référence acquis plus rarement.Ce troisième montage mérite particulièrement d’être souligné. Le LiDAR aérien fournit une géométrie de référence précise et coûteuse, la photogrammétrie fournit des mises à jour fréquentes et économiques, et la combinaison produit un suivi que ni l’une ni l’autre n’offre seule.

Ce que cela change pour l’annotation

Quatre différences distinguent l’annotation des deux types de nuages et elles justifient un traitement propre.La présence de couleur change la méthode, un annotateur photogrammétrique s’appuyant sur l’apparence là où un annotateur LiDAR aérien s’appuie sur la forme.Le bruit diffère en nature, un nuage photogrammétrique comportant des artefacts de corrélation dans les zones peu texturées et un nuage LiDAR aérien comportant des échos parasites isolés.La structure verticale n’existe qu’en LiDAR aérien, ce qui rend la distinction entre végétation et sol impossible en photogrammétrie sous couvert.Et la densité varie différemment, un nuage photogrammétrique étant dense sur les surfaces texturées et lacunaire ailleurs, là où un nuage LiDAR aérien est plus homogène.Une conséquence pratique en découle. Un protocole d’annotation conçu pour l’une des deux techniques ne se transpose pas directement à l’autre, et les conventions aux interfaces diffèrent.

Comment trancher en pratique

Cinq questions déterminent le choix et elles se posent en une seule réunion.Le sol sous végétation est-il nécessaire. Une réponse positive impose le LiDAR aérien et clôt la discussion.La surface concernée est-elle réduite ou étendue. Les petites emprises favorisent la photogrammétrie par drone, les grandes le vol aéroporté.Les surfaces à mesurer sont-elles texturées. Une réponse négative, eau, sable ou toitures uniformes, écarte la photogrammétrie.La couleur est-elle nécessaire au livrable. Une réponse positive oriente vers la photogrammétrie ou vers une combinaison.Et quelle précision verticale est requise. Une exigence élevée favorise le LiDAR aérien, dont la mesure directe est plus stable.

Le cas des câbles et objets fins

Une configuration mérite un traitement propre car elle départage les deux techniques sans ambiguïté.Un câble électrique, une clôture ou un mât fin sont des objets dont la dimension transversale est très inférieure à la résolution d’acquisition.Le LiDAR aérien les mesure néanmoins, une impulsion rencontrant le câble produisant un écho à la distance correcte, indépendamment du fait que le câble n’occupe qu’une fraction de l’empreinte laser.La photogrammétrie échoue sur ces objets. Un câble occupe une fraction de pixel, il ne produit aucun motif corrélable, et la reconstruction l’ignore ou le place n’importe où.Trois conséquences en découlent. La gestion des réseaux électriques impose le LiDAR aérien, ce qu’un article de cette série développe. Le contrôle de gabarit d’infrastructures linéaires également. Et tout projet portant sur des objets fins doit vérifier cette contrainte avant d’arbitrer sur le coût.Cette configuration illustre le principe général de ce comparatif. Une impossibilité physique tranche là où une comparaison de précision moyenne laisserait croire à une équivalence.

Les erreurs de comparaison

Quatre biais faussent régulièrement les comparaisons publiées et il vaut la peine de les connaître.La zone d’essai favorable, une comparaison conduite en milieu urbain texturé et bien éclairé favorisant systématiquement la photogrammétrie.La confusion entre densité et précision, un nuage photogrammétrique dense pouvant être moins précis qu’un nuage LiDAR aérien plus clairsemé.L’omission du couvert végétal, la comparaison portant sur les surfaces où les deux techniques fonctionnent et ignorant celles où l’une échoue.Et la comparaison de coûts à périmètre inégal, une acquisition photogrammétrique bon marché produisant un livrable qui demande davantage de traitement.Ces quatre biais partagent une propriété commune. Ils avantagent tous la photogrammétrie, ce qui explique une part de l’écart entre les comparaisons publiées et l’expérience des praticiens.

Le cas des programmes nationaux

Une configuration particulière mérite d’être signalée car elle modifie l’arbitrage dans plusieurs pays.Les programmes de couverture LiDAR aérien nationale, qu’un article de cette série détaille, rendent disponible gratuitement une donnée dont l’acquisition constituait le principal poste de coût.Trois conséquences en découlent pour cette comparaison.Sur les zones couvertes, l’argument économique en faveur de la photogrammétrie disparaît, la donnée LiDAR aérien étant déjà acquise et payée.La photogrammétrie conserve un avantage de fraîcheur, un relevé national datant de plusieurs années quand un vol drone se programme en quelques jours.Et la combinaison devient naturelle, le relevé national fournissant une géométrie de référence et une acquisition photogrammétrique ponctuelle fournissant la mise à jour.Une conséquence pratique en découle pour un projet. Vérifier la couverture nationale avant tout arbitrage constitue la première étape, une réponse positive changeant radicalement les termes de la comparaison.

Le LiDAR terrestre et mobile

Une troisième famille mérite d’être située car elle complète le tableau et se combine aux deux précédentes.Le LiDAR terrestre, statique ou monté sur véhicule, mesure depuis le sol plutôt que depuis les airs, ce qui inverse la géométrie d’acquisition.Trois avantages en découlent. Les surfaces verticales sont correctement mesurées, façades et ouvrages d’art notamment, là où un capteur aéroporté les sous-échantillonne. La densité atteinte est très supérieure, un relevé terrestre produisant des milliers de points par mètre carré. Et le coût de mise en œuvre est modeste sur une emprise réduite.Trois limites l’accompagnent. La couverture est faible, un relevé terrestre ne couvrant que ce qui est visible depuis la voirie ou depuis les stations. Les toitures échappent entièrement à cette modalité. Et l’occlusion est forte en milieu bâti, chaque objet en masquant d’autres.Une conséquence pratique en découle pour la modélisation urbaine détaillée. Le LiDAR aérien fournit les toitures et la géométrie d’ensemble, le terrestre fournit les façades, et leur combinaison produit un modèle complet qu’aucune des deux ne donne seule.

Ce que ce comparatif enseigne

Une observation transversale mérite de clore cet examen car elle vaut au delà de ces deux techniques.La question posée n’est pas de savoir laquelle est meilleure mais laquelle mesure ce que le projet cherche.Trois enseignements en découlent.Une comparaison de performances sans préciser le contexte de mesure ne renseigne sur rien, les deux techniques se dégradant sur des configurations opposées.Une contrainte physique tranche plus sûrement qu’un arbitrage économique, l’impossibilité de mesurer le sol sous couvert écartant une technique quel que soit son prix.Et la combinaison vaut souvent mieux que le choix, les faiblesses de chacune étant les forces de l’autre, ce qui explique la fréquence des acquisitions mixtes.Une conséquence pratique en découle pour un prestataire d’annotation. Savoir de quelle technique provient un nuage de points change la façon de l’annoter, ce qui fait de cette question une information à obtenir au cadrage plutôt qu’un détail de provenance.

Reconnaître l’origine d’un nuage

Une compétence pratique mérite d’être exposée car un prestataire reçoit souvent un nuage sans que sa provenance soit précisée.Cinq indices simples permettent de trancher en quelques minutes.La présence de couleur sur chaque point signale généralement une origine photogrammétrique ou un nuage LiDAR aérien colorisé, ce que les métadonnées permettent de distinguer.La présence d’attributs d’écho, numéro et nombre total, signale sans ambiguïté une origine LiDAR, la photogrammétrie ne produisant pas cette information.La distribution de densité renseigne également, un nuage photogrammétrique étant dense sur les surfaces texturées et lacunaire sur les surfaces uniformes, là où un nuage LiDAR aérien est plus homogène.La présence de points sous couvert végétal tranche définitivement, seul le LiDAR aérien en produisant.Et la nature du bruit diffère, la photogrammétrie produisant des surfaces bruitées et des artefacts de corrélation là où le LiDAR aérien produit des points isolés aberrants.Une conséquence pratique en découle. Établir l’origine avant de définir un protocole d’annotation évite d’appliquer des conventions inadaptées, notamment sur la distinction entre sol et végétation basse qui n’a pas le même sens dans les deux cas.

Ce que la photogrammétrie a gagné récemment

Une évolution mérite d’être signalée car elle a resserré l’écart sur plusieurs points.Trois progrès notables ont amélioré cette technique au cours de la dernière décennie.Les algorithmes de corrélation dense produisent désormais un point par pixel plutôt que des points épars, ce qui a considérablement augmenté la densité obtenue sur les surfaces texturées.Les drones ont abaissé le coût d’acquisition sur les petites emprises, rendant accessible une technique qui demandait auparavant un aéronef.Et la reconstruction par apprentissage améliore le traitement des zones faiblement texturées, sans toutefois lever la limite fondamentale.Deux limites demeurent inchangées et elles sont physiques plutôt que techniques.La pénétration du couvert végétal reste impossible, aucun progrès algorithmique ne permettant de reconstruire ce qui n’est visible sur aucune image.Et la mesure des objets fins reste défaillante, un câble n’occupant pas assez de pixels pour être corrélé quelle que soit la méthode.Une conséquence pratique en découle pour un arbitrage. Les progrès de la photogrammétrie ont déplacé la frontière sur les surfaces dégagées et ils n’ont rien changé sur les deux configurations où le LiDAR aérien est indispensable, ce qui rend cet arbitrage plus stable qu’il n’y paraît.

Formuler la recommandation à un client

Une observation commerciale clôt cet examen car la comparaison se présente mal lorsqu’elle est abordée frontalement.Un client ayant déjà choisi une technique la défend, et une comparaison présentée comme un verdict installe une opposition inutile.Trois formulations fonctionnent mieux.Partir du besoin plutôt que de la technique, la question du sol sous couvert ou des objets fins tranchant d’elle-même sans qu’un avis soit nécessaire.Reconnaître ce que la technique choisie apporte, une photogrammétrie par drone étant effectivement la meilleure réponse sur une petite emprise dégagée.Et proposer la combinaison plutôt que la substitution, ce qui préserve l’investissement déjà consenti et ajoute ce qui manque.Cette troisième formulation est la plus efficace en pratique. Elle transforme une remise en cause en complément, ce qui est à la fois plus juste techniquement et mieux reçu.

Ce qu’il faut retenir

Les deux techniques produisent un nuage de points et elles ne mesurent pas la même chose, l’une enregistrant une distance et l’autre reconstruisant une géométrie à partir d’images.Trois lectures se dégagent. Le sol sous couvert végétal n’est mesurable qu’en LiDAR aérien, la photogrammétrie ne reconstruisant que ce qui est visible, ce qui tranche à lui seul les projets forestiers, hydrologiques et archéologiques. La photogrammétrie exige de la texture et un éclairement, ce qui la met en défaut sur l’eau, les surfaces uniformes et les zones d’ombre, là où le LiDAR aérien conserve une précision homogène. Et une comparaison conduite en zone urbaine texturée favorise systématiquement la photogrammétrie quand la même comparaison en zone forestière inverse le résultat, ce qui rend toute comparaison générale trompeuse.Pour le cœur du travail d’annotation, l’article consacré à la classification d’un nuage de points expose la méthode. Pour le cadre général, l’article sur le LiDAR aérien pose le panorama de cette série.Pour approfondir les modalités d’exécution, les formats pris en charge et les dispositifs de contrôle applicables, vous pouvez consulter notre page dédiée au traitement de données géospatiales. Et si vous devez faire classifier un nuage de points, quelle qu’en soit l’origine, échangeons sur votre projet.