Trois modèles dérivent d’un relevé LiDAR aérien classifié, et leur confusion constitue l’un des malentendus les plus fréquents de ce domaine. Ils décrivent trois surfaces différentes et servent des usages distincts.Cet article expose ce que chacun représente, comment il se produit et ce qui en détermine la qualité. Il prolonge l’article consacré à la classification d’un nuage de points.
Trois surfaces distinctes
Cette distinction fondatrice se pose en une phrase chacune.Elle sépare les trois produits du LiDAR aérien.Le modèle numérique de terrain décrit l’altitude du sol nu, tel qu’il serait sans végétation ni construction.Le modèle numérique de surface décrit l’altitude du sommet de ce qui recouvre le sol, canopée et toitures comprises.Et le modèle numérique de hauteur décrit la différence entre les deux, c’est-à-dire la hauteur des objets au dessus du sol.Trois observations importantes accompagnent cette distinction.Sur une surface dégagée, terrain et surface coïncident et la hauteur est nulle.Le troisième modèle se calcule et ne se mesure pas, ce qui fait qu’il cumule les erreurs des deux premiers.Et le terrain n’est pas observé mais reconstruit, l’interpolation entre points sol produisant une surface là où aucune mesure n’existe.Comment se produit un modèle de terrain
Une chaîne en trois étapes le produit à partir d’un relevé LiDAR aérien.Chacune introduit ses propres limites.La sélection retient les seuls points classés sol, ce qui rend ce produit entièrement dépendant de la qualité de cette classe.L’interpolation estime une altitude en tout point d’une grille régulière à partir des points sol disponibles, opération nécessaire puisque ceux-ci sont irrégulièrement répartis.Et le lissage éventuel régularise la surface obtenue, ce qui améliore l’apparence et peut effacer des détails réels.Une conséquence importante en découle nécessairement. Un modèle de terrain comporte des zones mesurées et des zones estimées, et rien dans le produit final ne les distingue, ce qui rend la densité de points sol une information aussi importante que la résolution de la grille.Cette observation a une portée pratique directe. Sous couvert forestier dense, la densité de points sol peut être très faible et le modèle largement interpolé, alors que sa résolution affichée laisse croire à une précision uniforme.Les méthodes d’interpolation
Quatre approches se distinguent.Leur choix affecte le résultat davantage qu’on ne le suppose.La triangulation relie les points sol par des triangles et interpole linéairement à l’intérieur. Elle respecte exactement les points mesurés et produit une surface anguleuse.La pondération par distance inverse estime chaque cellule par une moyenne pondérée des points voisins. Elle est simple et produit des artefacts caractéristiques autour des points isolés.Les méthodes géostatistiques modélisent la structure spatiale et produisent une estimation accompagnée d’une incertitude, avantage réel et rarement exploité.Et les fonctions de surface ajustent une surface continue, ce qui produit un résultat lisse et peut atténuer des ruptures réelles.Une recommandation en découle pour un projet de LiDAR aérien. La méthode d’interpolation et ses paramètres doivent être documentés, deux modèles produits différemment à partir des mêmes points n’étant pas comparables.Le choix de la résolution
Ce paramètre est régulièrement mal réglé en LiDAR aérien.Le mécanisme mérite d’être exposé.La résolution de la grille doit correspondre à la densité de points disponible, et non la dépasser.Une grille plus fine que la densité produit une majorité de cellules interpolées, ce qui donne une apparence de précision sans fondement et alourdit inutilement le fichier.Une grille plus grossière que nécessaire perd de l’information effectivement mesurée.Une règle pratique simple existe. La taille de cellule devrait être de l’ordre de l’espacement moyen entre points sol, ce qui garantit qu’une majorité de cellules contient au moins une mesure.Une difficulté importante accompagne cette règle. La densité de points sol varie fortement selon l’occupation, élevée sur les surfaces dégagées et faible sous couvert, ce qui rend une résolution unique inadaptée à un territoire varié et justifie parfois de produire plusieurs versions.Le modèle de surface
Ce produit est plus simple à obtenir.Il mérite néanmoins quelques précisions.Il se produit en retenant les points les plus hauts localement, indépendamment de leur classe, ce qui le rend moins dépendant de la classification que le modèle de terrain.Trois particularités le distinguent nettement.Il est mieux échantillonné, la densité de premiers échos étant supérieure à celle des points sol, ce qui autorise une résolution plus fine.Il présente des discontinuités franches aux limites de bâtiments et d’arbres, ce que les méthodes d’interpolation lisses dégradent.Et il varie dans le temps bien davantage que le terrain, la croissance de la végétation et les constructions le modifiant continûment.Cette troisième particularité a une conséquence pratique. Une comparaison entre deux dates porte sur le modèle de surface et non sur le terrain, ce qui fait de ce produit l’objet du suivi de changement.Le modèle de hauteur
C’est le produit le plus utile et le plus fragile.Il mérite le plus d’attention.Il se calcule par soustraction et il hérite des erreurs des deux modèles qui le composent.Quatre défauts caractéristiques le signalent immédiatement.Des hauteurs négatives, physiquement impossibles, révélant une incohérence entre les deux modèles.Des hauteurs excessives, révélant un point aberrant non filtré ou un défaut de classification du sol.Des variations abruptes en zone homogène, révélant un défaut d’interpolation du terrain.Et une sous-estimation systématique sous couvert dense, le terrain interpolé y étant souvent plus haut que le sol réel.Une conséquence pratique immédiate en découle. Ces quatre défauts constituent un contrôle qualité immédiat, leur recherche automatique révélant en quelques minutes des problèmes de classification que l’inspection du nuage ne montre pas.Les lignes de rupture
Cet élément améliore sensiblement un modèle de terrain.Il est pourtant régulièrement omis.Une interpolation lisse les ruptures franches, arasant un mur de soutènement, adoucissant un talus et remplissant un fossé.Les lignes de rupture sont des vecteurs indiquant à l’interpolateur qu’une discontinuité existe et qu’il ne doit pas interpoler à travers.Quatre situations les rendent nécessaires. Les ouvrages hydrauliques, fossés et canaux, dont la fonction dépend précisément de la rupture. Les remblais et déblais routiers. Les murs de soutènement et les terrasses. Et les berges de cours d’eau, dont la position conditionne toute modélisation d’écoulement.Une conséquence pratique en découle pour un projet de LiDAR aérien. Un modèle destiné à l’hydrologie sans lignes de rupture produit des écoulements erronés, l’eau franchissant des obstacles que l’interpolation a effacés, et cette exigence doit figurer au cahier des charges.Une observation complète ce constat. La saisie des lignes de rupture constitue un travail d’annotation à part entière, distinct de la classification et souvent oublié dans les devis alors qu’il conditionne la qualité du produit final.Les usages de chaque modèle
Cette correspondance évite le malentendu le plus fréquent du LiDAR aérien.Le terrain sert l’hydrologie, la modélisation d’écoulement et de zones inondables, l’aménagement et le calcul de terrassement, ainsi que l’archéologie.La surface sert le calcul d’ensoleillement et de potentiel solaire, l’étude de visibilité et de propagation, ainsi que le suivi de changement.Et la hauteur sert la foresterie, la caractérisation du bâti, la gestion de végétation sous réseaux et l’estimation de biomasse.Une observation traverse cette correspondance. Un client demandant une modélisation hydrologique et recevant un modèle de surface obtient un résultat entièrement faux, l’eau paraissant s’écouler sur les canopées, ce qui rend cette distinction non négociable au cadrage.Les zones sans mesure
Cette difficulté traverse les trois produits.Elle est rarement documentée.Certaines zones ne comportent aucun point exploitable et leur traitement relève d’une convention.Quatre configurations les produisent. Les surfaces d’eau, où le laser est absorbé. Les zones d’ombre laser, masquées par un relief ou une structure. Les surfaces très absorbantes, certains revêtements sombres notamment. Et le sous-couvert très dense, où aucune impulsion n’atteint le sol.Trois traitements sont possibles et le choix doit être explicite. L’interpolation à travers, qui produit une surface continue et masque l’absence de mesure. La valeur nulle, qui signale l’absence et complique l’usage. Et un masque documenté, qui distingue explicitement le mesuré de l’estimé.Cette troisième option est la plus honnête et la moins pratiquée. Elle permet à un utilisateur de savoir où le produit repose sur une mesure, information que ni les deux autres options ni les métadonnées habituelles ne fournissent.Le contrôle qualité d’un modèle
Quatre vérifications révèlent l’essentiel des défauts.Elles se conduisent rapidement.L’ombrage du modèle de terrain, représentation qui rend le relief immédiatement lisible et fait apparaître les bâtiments mal classés comme des bosses et les zones manquantes comme des creux.La recherche de hauteurs négatives, incohérence physique dont la présence signale un problème sans ambiguïté.L’examen des profils en travers, coupes qui révèlent les artefacts d’interpolation et les ruptures anormales.Et la comparaison à des points de contrôle mesurés au sol, seule vérification absolue de l’exactitude altimétrique.Une observation complète ces quatre contrôles. Le premier est le plus rentable, il se conduit en quelques minutes et il révèle la majorité des défauts de classification, ce qui en fait le geste à systématiser.La comparaison entre deux dates
Cet usage constitue la valeur économique principale de ces produits.La différence entre deux modèles acquis à des dates distinctes révèle ce qui a changé, croissance de végétation, construction, terrassement ou érosion.Quatre précautions conditionnent la validité de cette comparaison.Le référentiel altimétrique doit être identique, un changement de référentiel entre deux campagnes produisant un décalage uniforme qu’un utilisateur non averti interprète comme un affaissement généralisé.Le recalage horizontal doit être vérifié, un décalage planimétrique produisant des différences apparentes sur toutes les pentes sans qu’aucun changement réel soit intervenu.La saison doit être comparable pour les modèles de surface, un relevé sous feuillaison et un relevé hors feuillaison sur la même forêt produisant un écart de plusieurs mètres.Et la méthode d’interpolation doit être identique, deux modèles produits différemment n’étant pas comparables même à partir des mêmes points.Une conséquence pratique en découle. Une carte de différence non accompagnée d’un seuil de significativité conduit à interpréter du bruit comme un changement, et ce seuil doit dériver de l’exactitude combinée des deux modèles plutôt que d’un choix arbitraire.La documentation d’un modèle
Six informations doivent accompagner toute livraison de LiDAR aérien.Leur absence limite fortement l’usage.La date d’acquisition du relevé source, un modèle décrivant un état à un instant.La densité de points ayant servi à sa production, distincte de la résolution de la grille.La méthode d’interpolation et ses paramètres.Le système de coordonnées et surtout le référentiel altimétrique, dont l’incompatibilité avec d’autres données constitue une source d’erreur fréquente et silencieuse.Le traitement appliqué aux zones sans mesure.Et l’exactitude altimétrique estimée, avec la méthode ayant permis de l’établir.Les autres produits dérivés
Quatre complètent les trois modèles principaux du LiDAR aérien.Ils servent des usages spécifiques.L’ombrage simule un éclairement rasant sur le modèle de terrain, ce qui rend le relief immédiatement lisible et constitue autant un outil de contrôle qu’un livrable, l’archéologie en faisant son instrument principal.Les cartes de pente et d’exposition dérivent du terrain par calcul local et servent l’agronomie, la gestion du risque et l’implantation d’installations.Les indicateurs de structure de canopée, densité, stratification et taux de couvert, dérivent de la distribution verticale des points plutôt que d’une surface, ce qui les distingue des trois modèles.Et les modèles de bâti extraient la géométrie des constructions à partir des points classés bâti, avec un degré de généralisation à fixer.Une observation traverse ces quatre produits. Tous dépendent de la même classification que les trois modèles principaux, ce qui confirme l’observation centrale de cette série sur le LiDAR aérien : la valeur d’un relevé se joue à l’étape de classification et non aux étapes qui la suivent.Les erreurs les plus fréquentes
- Confondre modèle de terrain et modèle de surface.
- Employer un modèle de surface pour une modélisation hydrologique.
- Choisir une résolution de grille supérieure à la densité de points.
- Négliger la variation de densité de points sol selon l’occupation.
- Interpoler à travers les zones sans mesure sans le documenter.
- Lisser un modèle de terrain sans mesurer l’effet sur les ruptures réelles.
- Comparer deux modèles produits avec des méthodes d’interpolation différentes.
- Omettre le référentiel altimétrique dans la documentation.
- Ne pas rechercher les hauteurs négatives avant livraison.
- Livrer un modèle de terrain sans avoir vérifié la classification du sol.
- Produire un modèle destiné à l’hydrologie sans lignes de rupture.
- Comparer deux dates sans vérifier le référentiel altimétrique.
