Des capteurs de voiture aux cartes archéologiques, la technologie laser s’avère une idée brillante

Cet essai, par Anya Zhang, 17 ans, du lycée Dublin Jerome à Dublin, Ohioest l’un des huit premiers gagnants du concours The Learning Network troisième concours annuel de rédaction STEMpour lequel nous avons reçu 3 564 entrées.

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Directement issues d’un blockbuster de science-fiction, les particules lumineuses permettent aux voitures autonomes de détecter les objets environnants, aux scientifiques de cartographier le fond de l’océan et même aux archéologues de découvrir des monuments historiques. Aussi génial que cela puisse paraître, la détection et la télémétrie de la lumière, ou lidar, utilisent des molécules de lumière pour «voir» l’environnement qui l’entoure.

Alors, comment le lidar est-il capable de détecter des objets ? Grâce à des impulsions laser, des photons lumineux sont projetés, interagissant avec les différentes surfaces qu’ils rencontrent. Pensez aux boules de billard – un coup de queue de billard envoie les boules voler, frapper les côtés de la table ou rebondir les unes sur les autres jusqu’à ce qu’elles tombent dans les poches des coins. Semblable au billard, certaines des particules de lumière se reflètent sur une surface et retournent dans la poche de l’instrument lidar.

Transportant l’énergie sous forme d’onde, la technologie lidar collecte des données sur l’heure et l’angle auxquels les photons lumineux pénètrent dans l’instrument. Lidar compile les photons arrivant à des moments et dans des directions similaires en pics d’énergie ; des pointes plus grandes indiquent que la lumière a rebondi sur un objet ou sur le sol. En utilisant ces pointes et les informations sur les coordonnées x, y et z fournies par les photons individuels, le lidar peut représenter une surface minuscule. En assemblant ces surfaces dans un patchwork, le lidar peut générer des représentations 3D détaillées d’une zone, présentant même les feuilles des arbres ou les crevasses d’un trottoir.

Différentes technologies peuvent également utiliser des types de lumière uniques, selon l’objectif. Par exemple, une des deux catégories de lidar, bathymétrique, utilise le feu vert. Cette lumière verte peut pénétrer dans l’eau, ce qui la rend utile pour cartographier les surfaces sous-marines. L’autre catégorie de lidar, topographique, utilise la lumière infrarouge : une classification de la lumière qui se classe à l’extrémité inférieure du spectre d’énergie électromagnétique par rapport à la lumière verte. Le lidar topographique est généralement utilisé pour cartographier les caractéristiques terrestres et est utilisé dans des capteurs plus petits.

Actuellement, des capteurs lidar plus petits sont utilisés pour détecter les excès de vitesse ou pour détecter les environs de la route dans les voitures autonomes. Cependant, une technologie lidar plus puissante est mise en œuvre pour une tâche plus vaste : représenter visuellement des étendues terrestres entières. En octobre 2021, Science News a rapporté que les lasers avaient aidé à la découverte archéologique d’une place et d’une pyramide souterraines au Guatemala.

David Stuart, le directeur du Mesoamerica Center de l’Université du Texas à Austin, a expliqué qu' »il n’y avait pas de maçonnerie visible là-bas », donc « on pensait qu’il s’agissait d’une colline naturelle ». Incrustées de terre et de végétation, les structures étaient camouflées aux yeux de tous les jours. Cependant, grâce aux cartes lidar collectées par hélicoptères, les archéologues ont fait correspondre la disposition de la «colline» à celle d’une structure similaire: La Ciudadela, une place située près de Mexico. Cette révélation a conduit les experts à découvrir les structures cachées.

En dehors de ses implications archéologiques, les cartes lidar offrent une multitude d’opportunités passionnantes. Les scientifiques peuvent utiliser la technologie pour caractériser la végétation dans différents écosystèmes ou pour planifier des efforts face à des glissements de terrain ou des tsunamis. Quelle que soit son application, le lidar fait certainement un travail « léger » sur les fantasmes laser de science-fiction en faisant des aspirations de cartographie 3D une réalité.

Ouvrages cités

Bower, Bruce. « Lidar révèle un plan possible pour de nombreux sites cérémoniels olmèques et mayas. » Science News, 27 octobre 2021.

Quain, John R. « Ce que voient les voitures autonomes. » Le New York Times, 25 mai 2017.

Rodrigues, Méghie. « Les lasers révèlent une construction inspirée des anciennes pyramides mexicaines dans les ruines mayas. » Science News, 22 octobre 2021.

Wasser, Leah A. « Les bases du Lidar – Détection et télémétrie de la lumière – Télédétection. » Néon, 7 octobre 2020.

« Qu’est-ce que le Lidar et à quoi sert-il ? » Institut américain des géosciences, 2 novembre 2020.