Étiquette : LiDAR

Hawaï : Un LiDAR au HVO // Hawaii : A LiDAR at HVO

De nos jours, le LIDAR est un instrument précieux dans le domaine de la cartographie topographique. Acronyme de l’anglais LIght Detection And Ranging, autrement dit « détection et télémétrie par la lumière  », c’est une technologie de télédétection qui utilise des faisceaux laser pour mesurer des distances et des mouvements précis en temps réel.

Les données LiDAR permettent de générer un large éventail de supports, des cartes topographiques détaillées aux modèles 3D précis pour guider en toute sécurité un véhicule autonome dans un environnement en perpétuel mouvement. La technologie LiDAR est également utilisée pour évaluer les dangers et les catastrophes naturelles comme les coulées de lave, les glissements de terrain, les tsunamis et les inondations.

L’Observatoire des volcans d’Hawaï (HVO) dispose désormais de son propre système LiDAR, ce qui permettra aux scientifiques de disposer de données cartographiques plus fréquemment qu’auparavant.

Le LiDAR fonctionne en émettant plusieurs milliers d’impulsions laser par seconde, puis en enregistrant avec précision les temps de retour des ondes lumineuses une fois qu’elles ont été réfléchies par différentes surfaces dans l’espace tridimensionnel. Sur les volcans hawaïens,il s’agit le plus souvent de surfaces de coulées de lave. Les temps de retour permettent de calculer automatiquement les distances par rapport à ces surfaces, tout en fournissant leurs coordonnées X, Y et Z lorsque la position de l’instrument est connue avec précision. La compilation de toutes les mesures donne naissance à un « nuage de points » qui décrit la zone étudiée.
Les systèmes LiDAR sont complexes et donc coûteux. C’est la raison pour laquelle les études antérieures sur l’île d’Hawaï ne pouvaient être effectuées qu’en fonction de la disponibilité des fonds et des organismes possédant cet équipement. La situation a changé avec l’adoption de la loi de 2019 sur les crédits supplémentaires pour les secours en cas de catastrophe (Additional Supplemental Appropriations for Disaster Relief Act) par le Congrès américain, ce qui a fourni au HVO les fonds nécessaires pour acheter un système LiDAR. Le nouvel outil est un LiDAR aéroporté Riegl VUX-120 qui peut être monté sur un hélicoptère et permet de réaliser des relevés de zones plus étendues qu’un système terrestre traditionnel.
L’instrument est arrivé en pièces détachées en novembre 2022. Il a été monté et est devenu opérationnel grâce à la collaboration de l’Université d’Hawaï et de l’armée américaine. Les travaux de montage ont été achevés en août 2024.
Un technicien de l’armée américaine est venu au HVO en septembre pour montrer au personnel comment utiliser le VUX-120 et donner des conseils lors de sa première utilisation. Le LiDAR a effectué avec succès son premier vol le 5 septembre à bord d’un hélicoptère sous lequel il avait été monté. Il a été décidé de survoler la zone de l’éruption du 3 juin sur le rift sud-ouest du Kilauea. Ce premier vol a été un succès complet.
Les données ont été capturées avec une densité d’environ 60 points par mètre carré, ce qui a permis la réalisation d’un modèle topographique de haute précision de la zone de l’éruption du 3 juin. La qualité des données pourra être améliorée à l’avenir, ce qui est particulièrement important lorsqu’il s’agit d’évaluer les risques volcaniques.
Le HVO continue de s’appuyer sur des relevés photographiques pour établir une cartographie rapide de la topographie lors des éruptions, mais le VUX-120 fournira des ensembles de données plus précis lorsque le HVO disposera de suffisamment de temps pour effectuer les relevés. Cela n’a pas été possible lors de la récente et brève éruption dans la Middle East Rift Zone du Kīlauea.
Source : USGS / HVO.

Image du haut : un instantané du nuage de points du vol d’essai LiDAR du HVO du 5 septembre le long de la zone de rift sud-ouest du Kīlauea. Les points sont affichés en vraies couleurs grâce à une caméra intégrée au système LiDAR. La largeur de cette vue s’étend sur environ 440 mètres.
Image du bas : presque la même vue depuis un survol en hélicoptère du HVO le 6 février.

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Today, LIDAR is a valuable tool in the field of topographic mapping. Acronym for LIght Detection And Ranging, it is a remote sensing technology that uses laser beams to measure precise distances and movements in real time. LiDAR data can be used to generate a wide range of media, from detailed topographic maps to precise 3D models to safely guide an autonomous vehicle in a constantly moving environment. LiDAR technology is also used to assess hazards and natural disasters such as lava flows, landslides, tsunamis and floods.

The Hawaiian Volcano Observatory (HVO) now has a LiDAR system of its own to generate mapping products more frequently than ever before. The LiDAR operates by emitting many thousands of laser pulses per second, then recording the precise return times of the light waves after reflecting off different features in three-dimensional space. On Hawaiian volcanoes, these features are usually the surfaces of lava flows. The return times are used to automatically calculate distances to those features, providing their X, Y and Z coordinates when the instrument’s position is precisely known. Compiling all the individual measurements results in a “point cloud” depicting the surveyed area.

LiDAR systems are complex, and therefore expensive, so prior surveys on Hawaiʻi Island could only be conducted when permitted by the availability of funding and collaborators. That changed with passage of the Additional Supplemental Appropriations for Disaster Relief Act of 2019 by U.S. Congress, providing HVO with funds to purchase a LiDAR system. The new tool is a Riegl VUX-120 airborne LiDAR system which is mountable to a helicopter and enables surveys of more expansive areas than a terrestrial system.

The instrument arrived unoperational in November 2022. It was mounted and became operational thankds to the collaboration of the University of Hawaiʻi and the U.S. Army. The setup work was completed in August 2024.

A U.S. Army technician visited the Observatory in September to teach staff how to use the VUX-120 and assist during its first operation. The system successfully completed its first flight on September 5th aboard a helicopter to the belly os which the LiDAR had been mounted. It was decided to survey the vicinity of the June 3rd Kīlauea Southwest Rift Zone eruption. This first flight was a complete success.

Data were captured at a density of about 60 points per square meter, enabling the construction of a high-accuracy digital elevation model of the June 3rd eruption vicinity. Some lessons were learned to further improve data quality in the future, which is especially important when the resulting models might be used for assessments of volcanic hazards.

HVO continues to rely on photographic surveys for rapid-response mapping of topography during eruptions, but the VUX-120 will provide more definitive datasets when time allows for its slightly longer-duration surveys, which were not possible during the recent brief Kīlauea middle East Rift Zone eruption.

Source : USGS / HVO.

Approche LIDAR de la dernière éruption du Kilauea (Hawaii) // LIDAR approach of Kilauea’s last eruption (Hawaii)

Depuis la fin de l’activité éruptive en 2018, les scientifiques du HVO ont déployé de gros efferts pour analyser la surface du sol sur le Kilauea, afin de mieux comprendre les changements provoqués par l’éruption dans le District de Puna ainsi que l’effondrement de la zone sommitale du volcan. Cela permettra d’apporter des réponses plus précises aux volumes de lave émis et au volume d’affaissement du sommet. Les nouvelles études permettront également d’effectuer des comparaisons avec les ensembles de données altimétriques numériques précédemment acquises par le LIDAR (light detection and ranging) depuis l’hélicoptère et à l’aide de drones
Les nouvelles données seront acquises par un hélicoptère qui survolera une grande partie du sommet du Kīlauea et de l’East Rift Zone à 390 mètres au-dessus du sol. L’appareil volera un peu comme une tondeuse à gazon, en avant et en arrière, dans une direction nord-est-sud-ouest. Certaines zones plus petites du Kilauea, notamment sur l’East Rift Zone et sur la zone de rift sud-ouest, ainsi que sur la caldeira sommitale, seront survolées à moins de 150 mètres de hauteur. Ces vols en hélicoptère seront effectués entre le 13 et le 30 juin 2019, si la météo le permet. L’ hélicoptère est préféré à l’avion pour procéder aux relevés car il peut voler plus lentement et acquérir des images LIDAR haute résolution. L’hélicoptère peut également voler même s’il y a une couverture nuageuse en haute altitude.
La technologie LIDAR utilisée est capable d’envoyer des centaines d’impulsions laser par seconde. Cela devrait permettre au moins 30 impulsions laser par mètre carré. Les vols à basse altitude permettront une couverture d’au moins 100 impulsions par mètre carré. La collecte d’images LIDAR haute résolution permettra de détecter et de cartographier les parties verticales du relief comme les fractures dans le sol en tout lieu, ou les fissures dans la Lower East Rift Zone et dans les parois de la caldeira sommitale du Kilauea.
La nouvelle analyse de surface obtenue grâce au LIDAR pourra être utilisée pour modéliser les secteurs où de nouvelles coulées de lave sont susceptibles de se déplacer en cas de nouvelle éruption dans la Lower East Rift Zone. Du point de vue de la gestion des risquess, il fut important de disposer de ces modèles lors des prises de décisions pendant l’éruption du Kīlauea en 2014-15 et 2018. Le modèle altimétrique sur terre nue (avec suppression numérique de toute végétation) constitue un véritable intérêt pour les géologues car il révèle des caractéristiques géologiques telles que des failles.et des fissures qui ne sont pas encore cartographiées. Malgré tout, les données LIDAR contiennent également d’autres paramètres, telles que le type de végétation et sa densité. Cela pourrait être une mine d’or pour les biologistes qui cartographient la flore du Kilauea. Outre les données LIDAR, l’hélicoptère peut collecter simultanément des images numériques à quatre bandes (rouge-vert-bleu, ou RVB, plus le proche infrarouge). Ces images multispectrales sont également utiles pour détecter les caractéristiques géologiques et classifier la végétation.
Les résultats de cette étude – un modèle altimétrique numérique accompagné d’images détaillées couvrant les zones analysées – seront rendus publics et devraient être disponibles d’ici la fin de l’année 2019.
Source: HVO.

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Since the end of 2018’s volcanic activity, HVO scientists have wanted to resurvey Kilauea Volcano’s ground surface to document changes brought about by the Puna eruption and summit collapse. Doing so will allow more accurate answers to questions about the total volumes of erupted lava and summit subsidence that occurred in the summer 2018. A new survey will also allow comparison to earlier digital elevation data sets acquired by both helicopter LIDAR (light detection and ranging) and by UAS (unmanned aerial systems) imagery.
The new data will be acquired by a helicopter flying over much of Kīlauea’s summit and East Rift Zone at an altitude of 390 metres above ground level. The aircraft will fly in a lawn-mowing pattern, back and forth in a northeast-southwest direction. A few smaller areas on Kīlauea, namely parts of the East Rift Zone and the upper Southwest Rift Zone, and the summit caldera, will be flown at a lower altitude of 150 metres. These helicopter flights are planned for the period of June 13th to 30th, 2019, weather permitting. A helicopter, rather than a fixed-wing aircraft, will be used for the survey because it can fly slower and acquire high-resolution LIDAR. The helicopter can also work even if there is high-altitude cloud cover.
The survey will use LIDAR technology capable of sending out hundreds of laser pulses per second. This should allow coverage of at least 30 laser pulses per square metre. The lower elevation flights will allow coverage of at least 100 pulses per square metre. Collecting the LIDAR with such high-resolution will allow to detect and map vertical features, from ground cracks everywhere, to fissures in the lower East Rift Zone (LERZ) and caldera walls at Kilauea’s summit.
The new LIDAR surface from this survey can be used to model where new lava flows may travel if renewed volcanic activity occurs in the LERZ. From an emergency management perspective, having these models was important during Kīlauea eruption responses in 2014-15 and 2018. The bare-earth elevation model (digitally stripped of all vegetation) is the main interest of geologists because it will reveal geological features such as faults and cracks that are not yet mapped. However, the LIDAR data will also contain other data, such as vegetation type and density. This could be a goldmine for biologists mapping flora on Kilauea. Along with LIDAR data, the helicopter will simultaneously collect four-band digital imagery (red-green-blue, or RGB, plus near-infrared). These multispectral images will also be useful to help detect geological features and classify vegetation.
The final products of this survey, a digital elevation model and detailed imagery covering surveyed areas, will be made public and should be available by late 2019.
Source: HVO.

Source: USGS / HVO

Mesure de l’épaisseur des coulées de lave // How to measure the thickness of lava flows

Au cours des premières années de l’éruption du Kilauea au niveau du Pu’uO’o, les scientifiques de l’Observatoire des Volcans d’Hawaii (HVO) ont mesuré l’épaisseur des coulées de lave en effectuant des relevés manuels en bordure de chaque coulée. Le volume de la coulée était ensuite calculé en multipliant sa surface par son épaisseur moyenne. Le débit éruptif était égal à ce volume divisé par la durée de l’éruption en secondes. Pendant la première année d’activité du Pu’uO’o en 1983, le débit éruptif a été estimé entre 15 et 65 mètres cubes par seconde. Cependant, cette méthode ne tenait pas compte de toutes les variations d’épaisseur des coulées à travers le champs de lave. Par exemple, de nombreuses coulées a’a, comme la coulée de lave émise par la Fracture n° 8 en 2018, abritent un chenal ou une cavité vide. En conséquence, si l’on suppose que la coulée présente une épaisseur constante, on surestime le volume de la lave ainsi que le débit éruptif.
En 1993, les scientifiques ont utilisé un radar aéroporté et survolé Kilauea à un peu moins de 8 km d’altitude. Le radar pouvait élaborer une image des coulées de lave avec une précision de 1 à 2 mètres. Il était également en mesure de fournir des milliers de points de hauteur de la surface de chaque coulée de lave, et pas seulement l’épaisseur en bordure de coulée, comme cela se faisait auparavant. Le volume d’une coulée calculé de cette manière (hauteur de la surface du sol avant la éruption soustraite de la hauteur de la lave de 1993) était légèrement supérieur à celui calculé avec la méthode classique de mesure manuelle en bordure des coulées.

Un progrès dans la mesure de l’épaisseur des coulées est intervenu avec l’arrivée du LIDAR [Light (ou Laser Imaging) Detection And Ranging], appareil qui émet un faisceau laser et en reçoit l’écho (comme le radar), ce qui permet de déterminer la distance d’un objet. Le LIDAR a été embarqué à bord d’avions ou d’hélicoptères et a envoyé des milliards d’impulsions laser en direction du sol. On a ainsi obtenu une foule de données précises (à quelques centimètres près) sur l’épaisseur des coulées de lave.
Au cours des dernières années, les géologues ont obtenu des résultats semblables en hélicoptère, en prenant des photos numériques superposées du sol, avec pour chaque cliché les coordonnées GPS de l’appareil photo. Les logiciels informatiques utilisant la “Surface-from-Motion” (SfM) technique – Surface à partir du Mouvement – peuvent identifier automatiquement les emplacements communs sur des photos adjacentes et réaliser une image 3 D des hauteurs du sol à partir de centaines de photos. Un autre avantage est que les photos peuvent être assemblées pour produire une carte haute résolution, en mosaïque de photos, de la zone observée.
Lors de l’éruption dans l’East Rift Zone du Kilauea en 2018, des appareils photo ont été embarqués sur des drones. A partir de quelque 2 800 photographies aériennes, le logiciel SfM a calculé 1,5 milliard de points communs qui ont été connectés pour créer un modèle altimétrique numérique à l’échelle du centimètre de la coulée de lave dans le district de Puna. Un modèle pré-éruptif obtenu avec le LIDAR a été soustrait du modèle réalisé avec la technique SfM du drone pour produire une carte d’épaisseur des coulées de lave. Une première version de cette carte, publiée sur le site web du HVO le 19 février 2019, est visible ci-dessous. (https://volcanoes.usgs.gov/volcanoes/kilauea/multimedia_maps.html)

En utilisant cette première ébauche de la carte, on peut obtenir une estimation approximative du volume total de lave émis au cours de l’éruption : environ 0,8 kilomètre cube. En tenant compte des cavités dans la lave et en divisant par la durée de l’éruption, on obtient un débit éruptif minimum d’environ 50 à 200 mètres cubes par seconde. Ce débit éruptif est nettement supérieur à la plupart de ceux enregistrés lors des précédentes éruptions du Kilauea.

Source: USGS / HVO.

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During the first few years of Kilauea Volcano’s eruption at Pu’uO’o, Hawaiian Volcano Observatory (HVO) scientists measured thicknesses using hand levels at multiple locations along the edges of each lava flow. The flow volume was then calculated as the product of the flow area multiplied by the average flow thickness. The eruption rate equalled this volume divided by the duration of the eruption in seconds. For the first year of Pu’uO’o activity in 1983, calculated eruption rates were 15-65 cubic metres per second. However, this method did not rale into account all the variations of lava flow thicknesses across flows. For example, many a’a flows, like Kilauea’s fissure 8 lava flow in 2018, host an empty lava channel. If they assumed that the flow was uniformly as thick as the height of its edges, scientists would overestimate the lava flow volume as well as the eruption rate.

In 1993, scientists used an airborne radar flown over Kilauea at an altitude of just under 8 km. The radar could image a lava flow with accuracies of 1-2 metres and determine thousands of surface elevations for each lava flow, not just a few thicknesses along its edge. Flow volumes calculated this way (pre-eruption elevations of the ground surface subtracted from the 1993 elevations of a lava flow) were slightly higher than those calculated with the simpler method of measuring thicknesses along flow edges.

The next improvement in measuring flow thickness was the development and use of Light Detection and Ranging (LIDAR). Specialized equipment was flown over an area by airplane or helicopter, from which billions of laser pulses showered down to the ground. This produced details on lava flow surface elevations accurate to a few centimetres.

Over the last few years, similar results have been obtained by geologists in helicopters snapping overlapping digital photos of the ground, each tagged with the camera’s GPS coordinates. Computer software, using the “Surface-from-Motion” (SfM) technique, can automatically identify common locations in adjacent photos and assemble a 3-dimensional image of ground elevations from hundreds of photos. A bonus is that the photos can be stitched together to produce a single, high-resolution, photo mosaic map of the area.

During Kilauea’s 2018 lower East Rift Zone eruption, cameras on drones did the photography. Using about 2,800 aerial photographs, the SfM software calculated 1.5 billion common points that were connected to create a centimetre-scale digital elevation model of the Puna lava flow. A pre-eruption LIDAR digital elevation model was subtracted from the drone SfM digital elevation model of the erupted flows to produce a lava flow thickness map. A preliminary version of this map was posted on the HVO website on February 19, 2019 and can be seen here below. (https://volcanoes.usgs.gov/volcanoes/kilauea/multimedia_maps.html)

Using the preliminary map, one can calculate a rough estimate of the total volume of lava erupted and added to the land surface: about 0.8 cubic kilometres. When corrected for voids in the lava and divided by the duration of the eruption, this yields a minimum eruption rate of about 50-200 cubic metres per second. This eruption rate is significantly larger than most known Kilauea eruption rates.

Source : USGS / HVO.

Source: USGS / HVO

La Fracture n°8 a émis d’énormes quantité de lave dans l’East Rift Zone  en 2018 (Crédit photo : USGS /HVO)

Des Cratères de la Lune à la planète Mars // From Craters of the Moon to Mars

drapeau-francaisDes chercheurs de la NASA se sont donné rendez-vous en août 2016 au Monument national des Cratères de la Lune dans l’Idaho où ils ont réalisé le premier scan tridimensionnel d’Indian Tunnel, l’un des tunnels de lave les plus longs et les plus accessibles du site.
Leur travail permettra non seulement de mieux comprendre le passé géologique de notre planète, mais il permettra également aux scientifiques d’en savoir plus sur la vie souterraine susceptible d’exister sur d’autres planètes.
L’équipe a créé le nouveau scan à l’aide d’un LIDAR (acronyme de LIght Detection And Ranging), une technique de mesure à distance fondée sur l’analyse des propriétés d’un faisceau de lumière renvoyé vers son émetteur. Elle utilise des impulsions laser pour numériser un environnement et créer une image tridimensionnelle du terrain. Le puissant scanner laser utilisé par l’équipe scientifique peut détecter au millimètre près les détails et la texture d’une surface. Un tel scan nécessite plusieurs dizaines de gigaoctets de stockage et la cartographie d’un seul site peut prendre plusieurs jours. Si les scientifiques sont en mesure de découvrir les caractéristiques et les dangers à l’intérieur des tunnels de lave, les planificateurs de mission pourront à leur tour décider comment les explorer et les exploiter sur la Lune, sur Mars ou sur d’autres planètes.
Un chercheur de la NASA a expliqué que «le but ultime est de réaliser la cartographie d’un grand nombre de tunnels de lave.» Il espère pouvoir un jour installer un tel équipement de scannage sur un petit robot et à le piloter distance pour cartographier des tunnels de lave sur d’autres planètes.
Les scientifiques ont détecté les preuves d’un vaste réseau de tunnels sous la surface martienne. Certains planificateurs de missions pensent que ces tunnels pourront servir de refuges aux premiers explorateurs de la Planète Rouge. En effet, ils auront besoin de se protéger contre les rayonnements intenses, les tempêtes de poussière et les températures extrêmes. De plus, les anciennes grottes martiennes peuvent apporter leur lot de nouvelles révélations, comme des réservoirs d’eau et des traces de vie microbienne.
L’envoi d’astronautes dans des tunnels de lave non cartographiés sur la Lune ou sur Mars serait dangereux. Il sera donc préférable d’envoyer d’abord des robots, éventuellement  rattachés à la surface par un câble, en guise d’éclaireurs. Il se peut qu’un jour sur Mars l’accès rapide à ces abris sauve la vie des hommes venus explorer la planète. C’est là que les cartes LIDAR pourront s’avérer très utiles. Les scans obtenus peuvent dès maintenant être communiqués aux ingénieurs qui planifient les futures missions martiennes afin qu’ils puissent étudier en détail les meilleurs chemins à emprunter.
Source: National Geographic.

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drapeau-anglaisA team of NASA researchers gathered in August at Craters of the Moon National Monument in Idaho where they created the first complete three-dimensional scan of Indian Tunnel, one of the largest and most accessible lava tubes at the site.

Their work not only helps us better understand our planet’s geologic past, but it will also allow scientists to learn more about potential subterranean living on other worlds.

The team created the new scan using LIDAR (for LIght Detection And Ranging), which uses laser pulses to scan an environment and create a three-dimensional view of the terrain. The team’s powerful laser scanner can detect the detail and texture of a surface down to millimetres. Such scanning is data-intensive, requiring several tens of gigabytes of storage, and mapping a single location can take several days. But the more scientists can discover about the features and hazards that are common among lava tubes, the better mission planners can decide how to explore and exploit them on the moon, Mars, or elsewhere.

A NASA researcher explained that « part of the ultimate goal is to get a collection of lava tubes mapped.” He eventually hopes to mount similar scanning equipment on a small rover and remotely map alien lava tubes.

Scientists have found signs of an extensive network of lava tubes underneath the Martian surface, too. Some mission planners think these tubes will allow to keep early settlers safe.

Indeed, the visitors will need protection from intense radiation, dust storms, and temperature extremes. The ancient Martian caves may come with additional revelations, such as reservoirs of water and traces of microbial life.

Sending astronauts into unmapped lava tubes on the moon or Mars would be unsafe, so rovers, perhaps connected to the surface by a tether, will likely be sent ahead of them. Someday on the Martian surface, finding those easily accessible shelters may be lifesaving. And that’s where the LIDAR maps can become very useful. The resulting scans can now be shared with engineers and designers planning future Mars missions, so they can study the best possible paths in detail.

Source : National Geographic.

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Craters of the Moon National Monument (Photos: C. Grandpey)