Le 21 septembre 2016, l’US Army signait un contrat d’un montant de 777 millions de dollars avec la société Leidos, pour soutenir l’Army Geospatial Center’s High-Resolution 3-D (HR3D) Geospatial Information Program. La société Leidos va conduire des missions de collecte de données cartographiques 3D de haute résolution, assurer leur traitement ainsi que leur archivage et leur diffusion.

Pourquoi un tel investissement dans cette technologie ? Quel bénéfice pour les forces armées ? L’engouement de la défense américaine qui multiplie les investissement dans cette technologie en dit long.

Cela va sans dire, la technologie LIDAR offre des capacités étonnantes, très répandue dans le civil, elle permet de collecter et produire rapidement une imagerie 3D avec une précision et une fidélité encore inégalée. Dès 2010, la NGA, l’US Army et la DARPA ont déployé des systèmes aéroportés équipés de LIDAR pour cartographier les 647 500 kilomètres carrés de l’Afghanistan dans le but de soutenir les forces de la coalition avec des données de très haute résolution.

Cela ne fait aucun doute aujourd’hui, l’utilisation de données issues de la technologie LIDAR a eu un impact direct sur l’efficacité opérationnelle des forces de la coalition. La nature déclassifiée des données produites ont largement contribué au succès de leur déploiement sur les différents théâtres d’opérations et facilité leur emploi.

Qu’est-ce que le LIDAR ?

LIDAR est l’acronyme de Light Detection And Ranging, il s’agit d’une technique optique active de mesure à distance, son fonctionnement s’apparente au fonctionnement d’un système Radar et peut être employé de jour comme de nuit.

Un système LIDAR topographique comporte un émetteur laser et un récepteur, la distance d’un objet est déterminée par la mesure du temps écoulé entre l’envoi de l’impulsion et la détection du signal réfléchi. Chaque impulsion du laser va réfléchir de multiples points sur son passage pour créer un nuage de points. Une des particularités intéressante de ce système est notamment sa capacité à détecter des objets sous un couvert végétal ou des filets de camouflage.

Le nuage de points tridimensionnel obtenu par l’acquisition LIDAR est filtré afin d’éliminer les données aberrantes et artefacts. Une fois traité, le nuage de points va permettre de créer le modèle numérique de surface (MNS aussi appelé Digital Surface Model DSM), qui se définit comme étant l’ensemble des éléments permettant une description de la surface terrestre (terrain + sur-sol). Le filtrage du nuage de points permet également de créer le modèle numérique de terrain (MNT aussi appelé Digital Terrain Model DTM) qui représente le terrain sans le sur-sol (sans végétation ni infrastructures).

De nombreux systèmes (américains) en service

Le système LIDAR peut être mis en œuvre depuis de multiples plates-formes, terrestres, aériennes ou spatiales. La plateforme aéroportée est souvent privilégiée pour cartographier de larges étendues géographiques. Le nombre de plateformes LIDAR aéroportés que possède le DoD n’a jamais été divulgué mais de nombreux programmes ont vu le jour sur différents types d’aéronefs (hélicoptères, drones, avions).

Développé par le Lincoln Laboratory du prestigieux institut technologique du Massachusetts (MIT), le système ALIRT (Airborne Ladar Imaging Research Testbed) fût le premier système de la NGA déployé sur les théâtres d’opération. Cet appareil est doté de capacités LIDAR topographiques permettant de cartographier de larges étendues géographiques depuis une altitude de 9000m.

L’Army Geospatial Center et l’Army holographic Tactical Battlefield Visualization Program ont mis au point le système BuckEye dès 2004. Ce système qui équipe un avion ou un drone présente l’avantage de combiner à la fois un LIDAR et une camera numérique de très haute résolution.

Le High Altitude LIDAR Operations Experiment (HALOE) de la DARPA et de l’US Air Force a lui aussi été déployé en Afghanistan en 2010. La conception de son capteur LIDAR lui permet de collecter des données jusqu’à 100 fois plus rapidement que les systèmes conventionnels, il a permis à lui seul de cartographier 50% du territoire Afghan en 90 jours seulement, ce qui aurait pris au moins 3 ans pour les autres systèmes déployés sur place.

Des capacités hors normes

Le système LIDAR a fait ses preuves en Irak et Afghanistan pour soutenir les forces armées déployées sur le terrain. Clé de l’efficacité opérationnelle, l’utilisation de données géographiques 3D issus du LIDAR permet de relever à la fois les défis techniques et tactiques grâce à des produits caractérisant fidèlement le terrain.

Ce qui démarque les produits issus d’un LIDAR, c’est avant tout leur très haute résolution, elle permet de percevoir un certain nombre de détails et accroître considérablement la compréhension d’un environnement. La résolution de collecte peut varier selon les systèmes du mètre à 10cm, cette différence de résolution va permettre aux utilisateurs de mesurer avec précision la hauteur d’un bâtiment jusqu’à la celle d’un muret, d’identifier et/ou mesurer des tranchées, de calculer précisément l’angle d’une pente ou même de détecter de l’activité sous un couvert végétal.

Que ce soit pour produire du renseignement ou encore de réaliser des produits d’aide à la décision, l’utilisation de modèles numériques de terrain et de surface de haute résolution apporte une vraie plus-value grâce à des produit précis et adaptés aux besoins des opérations, facilitant ainsi le déploiement de moyens tactiques sur le terrain ainsi que la définition de modes d’actions. Ci-dessous, quelques exemples d’études et analyses qui tirent profit des modèles numériques d’élévation issus du LIDAR.

Etude d’itinéraire Etude d’intervisibilité

Analyse détaillée de sites (hauteurs de murs, nombre d’étages, ouvertures, etc…)

Détection de changement, Battle Damage Assessment (BDA), Analyse de volumes

Détection d’activité sous un couvert végétal / filet de camouflage

Analyses sur l’accessibilité (pédestre / véhicules)

L’intervisibilité depuis des points d’observation (Line-of-Sight)

Détermination de zones potentielles de poser pour les aéronefs, détection d’obstacles

Véritable enjeu de souveraineté, les données géographiques 3D jouent également un rôle essentiel dans la mise en oeuvre des systèmes d’armes aujourd’hui. Les données de l’environnement sont devenues une composante d’armement à part entière, leur utilisation permet l’emploi de munitions guidées (arme aérienne, artillerie) avec une grande précision. Dans ce contexte, des données bénéficiant de la qualité et la précision du LIDAR peuvent s’avérer très précieuses pour frapper juste et limiter les dommages collatéraux.

Des capacités de traitement hors normes elles aussi

Le LIDAR offre certes des capacités impressionnantes, mais son coût d’acquisition et de traitement reste élevé. Hormis les coûts d’achat de la plateforme aérienne et du capteur, la mise en oeuvre de la technologie LIDAR produit une masse de données colossale qu’il est nécessaire de stocker et traiter pour obtenir un produit altimétrique exploitable.

Ce processus de traitement est long et complexe nécessitant impérativement des capacités stockage massives et de High Performce Computing (HPC). Les problématiques de traitement de données LIDAR mettent pleinement les pieds dans le monde du BIG DATA, les architectures conventionnelles ne sont plus assez performantes pour traiter les Gigaoctets de données collectées.

Afin d’optimiser le traitement des données LIDAR, la NGA s’est donc tournée vers des solutions de Distributed computing (comprendre calcul distribué) ou encore de Cloud computing pour répartir les charges de calculs nécessaires sur de multiples serveurs, optimiser le temps de traitement et surtout rationaliser les coûts.

L’utilisation du LIDAR dans les forces armées françaises

Si la technologie LIDAR apparaît timidement dans les thématiques technologiques prioritaires de la DGA pour la période 2014-2019, aucun système ou grand programme n’a encore vu le jour pour nos forces armées aujourd’hui.

Pourtant, le besoin existe bel et bien et l’exigence des opérations au regard du GEOINT est croissante. L’utilisation de modèles numériques de terrain de haute résolution fait notamment parti des besoins essentiels des forces spéciales françaises pour appuyer leurs opérations et déployer des moyens aéroportés.

En effet, le retour d’expérience des forces françaises en Afghanistan a souligné l’importance de l’utilisation de modèles numériques d’élévation pour la projection de moyens tactiques sur les théâtres d’opérations. De plus, les forces françaises bénéficient aujourd’hui d’un réel savoir-faire opérationnel sur ce type de produits grâce à l’expérience acquise avec l’exploitation des produits LIDAR américains en Afghanistan.

Néanmoins cette lacune apparente ne cache pourtant pas de ‘vide’ capacitaire en la matière en France, l’acquisition de données géographiques 3D de qualité à notamment fait l’objet du programme d’armement DNG3D de la DGA puis se poursuit avec le programme GEODE4D depuis 2015.

Image tri-stéréo Pléiade MNS calculé

La technologie LIDAR n’est pas le seul moyen de produire de l’imagerie 3D de haute résolution aujourd’hui, il existe aujourd’hui d’autres technologies qui n’imposent pas l’acquisition d’un système de collecte dédié. Le traitement photogrammétrique d’images offre par exemple la capacité de créer des modèles numériques de qualité en s’appuyant sur de l’imagerie aérienne ou satellitaire. Si cette méthode ne permet pas pour autant d’atteindre le niveau de précision du LIDAR, elle permet déjà de répondre a un certain nombre besoins opérationnels à moindre coût.

Un avenir prometteur

L’avenir du LIDAR semble radieux, déjà très présent dans le civil, les recherches et innovations dans cette technologie sont nombreuses. Elles visent pour la plus part à l’optimisation des capteurs et du processus de traitement des données afin par exemple d’extraire les infrastructures et la végétation de manière automatisée.

Si les investissements outre-atlantique se multiplient dans le développement et la recherche de la technologie LIDAR, cet engouement ne retrouve pas son pareil en France dans le domaine de la défense, qui préfère s’orienter vers des méthodes plus traditionnelles et moins onéreuses comme la photogrammétrie ou encore l’interférométrie radar.

Cependant, il ne faut pas oublier que les caractéristiques uniques du LIDAR lui confèrent un large éventail de capacités d’analyses qui vont bien au delà de la création de modèles numériques de terrain précis. Des applications comme la pénétration du couvert végétal pour la détection d’objets ou véhicules qui seraient dissimulés sous la cime des arbres, ou encore la détection de mines sous-marines font du LIDAR une technologie très prometteuse. Le Departement Of Defense (DoD) semble l’avoir bien compris et ne compte plus se passer cette technologie pour soutenir ses futures opérations.

Jean-Philippe Morisseau

Bibliographie

Peck M. « Army awards Leidos max $777M geospatial contract » http://www.c4isrnet.com/articles/army-leidos-geospatial-contract Darpa, « High-Altitude LIDAR Operations Experiment »

http://www.darpa.mil/about-us/timeline/lidar Walsh D., « Warfighters reap benefits of LIDAR mapping technology » https://defensesystems.com/articles/2011/07/18/tech-watch-geoint-lidar.aspx US Army Geospatial Center, « BUCKEYE Color Imagery and LIDAR Elevation Data Collection, Processing, Dissemination » http://www.usma.edu/cegs/SiteAssets/SitePages/Research%20iPAD/Buckeye%20Update%202011.pdf MIT Lincoln Laboratory technology, « Journal cover image created by MIT Lincoln Laboratory technology »https://www.ll.mit.edu/news/pathfindercover.html Galassi A., « HPC Advances in LIDAR E2E Processing » http://www.ll.mit.edu/HPEC/agendas/proc11/Day1/Focus_1/0955_Galassi.pdf Katherine G., Steve H., Seana M., « LiDAR Supplies High-Resolution Data to NGA »http://eijournal.com/print/column/defense-watch/lidar-supplies-high-resolution-data-to-nga Domitille B., « GEODE 4D, mieux connaître et comprendre l’environnement géophysique des théâtres » http://www.defense.gouv.fr/actualites/dossiers/l-espace-au-profit-des-operations-militaires/les-fonctions-spatiales-au-service-des-operations/geode-4d-mieux-connaitre-et-comprendre-l-environnement-geophysique-des-theatres Durand A., Michel J., De Franchis C., Allenbach B., Giros A. « Qualité de restitution 3D par différents algorithmes appliqués à un triplet stéréo d’images satellite Pléiades sur Port-au-Prince » http://kal-haiti.kalimsat.fr/IMG/pdf/04_Atelier_KAL-Haiti_2013_MNS_Pleiades3D.pdf