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Article

1 - TYPES DE MESURES

2 - QUELQUES CONSIDÉRATIONS SUR LES LASERS

3 - ÉTAPES DE TRAVAIL

4 - TRAITEMENTS ET UTILISATION DU NUAGE DE POINTS

5 - ÉVOLUTIONS ET CONCLUSIONS

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : RAD7420 v1

Types de mesures
Scanners lasers terrestres - Des nuages pour la géomatique

Auteur(s) : Vincent BARRAS

Date de publication : 10 sept. 2018

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RÉSUMÉ

Les années 2000 ont apporté la notion de numérisation 3D. Les scanners lasers ont été le fer de lance des outils permettant de fournir des nuages de points. Avec des capacités de mesure de l’ordre du million de points par seconde et des portées moyennes de l’ordre de 300 m, ces instruments sont adaptés pour "rastériser" des scènes extérieures ou l’intérieur de bâtiment de manière exhaustive avec une précision millimétrique. Basé sur des techniques de mesure de distances en utilisant des lasers, ces appareils sont sensibles à la réflectance des objets. L’assemblage et le géoréférencement donne un nuage positionné dans un système de coordonnées national ou local. Le résultat peut être utilisé pour des visualisations, des mesures tridimensionnelles ou des classifications d’objets. Il est également possible de réaliser des maquettes virtuelles en vectorisant et modélisant des objets du nuage.

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ABSTRACT

Terrestrial Laser Scanners. Some Clouds for the Geomatic

The 2000s brought the notion of 3D digitisation. Laser scanners have been the spearhead tools to provide point clouds. With measurement capabilities of the order of one million points per second and average ranges of around 300 m, those instruments are suitable for rasterizing outdoor scenes or building interiors exhaustively with a millimetre precision. Based on distance measurement techniques using laser, those devices are responsive to the reflectance of objects. Piecing together and georeferencing gives a cloud positioned in a national or local coordinate system. The result can be used for visualizations, three-dimensional measurements or object classifications. It is also possible to create virtual models by vectorizing and modeling objects of the cloud.

Auteur(s)

  • Vincent BARRAS : Ingénieur HES en géomatique - Professeur de topométrie, lasergrammétrie - Institut de l’ingénierie du territoire (Insit), Haute École d’Ingénierie et de Gestion du canton de Vaud (HEIG-VD), Yverdon-les-Bains, Suisse

INTRODUCTION

Durant la seconde moitié des années 1990, quelques firmes ou laboratoires spécialisés présentent de drôles d’instruments qui mélangent le principe du tachéomètre des géomètres et le principe du scannage d’une feuille de papier, un laser balaye, de manière sphérique, l’environnement pour fournir un nuage de points tridimensionnels, soit un « raster » 3D ou « nuage » 3D.

Les premiers résultats présentés au public sont des relevés de raffineries souvent compliqués à cartographier en raison de la complexité des tuyauteries. À ses débuts, la lasergrammétrie (technique traitant des mesures dans les résultats des scanners lasers) propose régulièrement ses atouts pour l’architecture d’extérieur.

Très vite, les firmes actives dans le domaine de la topométrie envisagent son potentiel pour des activités nouvelles (relevés d’ouvrages complexes, « tels que construits », etc.) et surtout une concurrence pour les stations totales (tachéomètres motorisés avec des fonctionnalités de stockage et de calcul, l’outil principal des géomaticiens à cette époque). Elles rachètent quelques développements ou créent des collaborations, par exemple :

  • Leica Geosystems rachète Cyrax ;

  • Trimble reprend Mensi ;

  • Faro reste indépendant dans ses développements, au départ, plus orientés industriels. Aujourd’hui, Trimble revend certains modèles sous son nom ;

  • Zoller+Frölich a longtemps eu une forte collaboration avec Leica Geosystems.

Aujourd’hui, les développements matériels ont atteint une certaine maturité en termes de vitesse et de précision. Les évolutions actuelles se concentrent sur les algorithmes de filtrage et les possibilités d’assemblages automatisés des nuages de points.

Il ne faut pas s’y tromper, obtenir un nuage 3D d’un environnement n’est que le début du travail. Avec ce raster, plusieurs traitements sont envisageables :

  • une utilisation directe du nuage de points 3D pour visualiser un environnement, faire des mesures ou y intégrer un projet. Ce nuage de points peut être coloré selon différentes informations (la réflectance du laser, la couleur d’une photo prise en parallèle du nuage de points…). Ce nuage permet également de conserver un état des lieux à un instant précis ;

  • après digitalisation des points caractéristiques du nuage, on obtient des vecteurs 3D, voire des formes en 3D. Ce processus, encore très manuel, permet d’alléger grandement le volume des données et de mettre en évidence les éléments essentiels qui étaient l’objectif de l’acquisition ;

  • la modélisation est la recherche de formes géométriques (meilleurs plans, cylindres, sphères…) ou de surfaces composites (maillage ou «  mesh  ») dans ce nuage. Cette transformation en éléments vectoriels « moyens » permet de limiter l’impact du bruit des mesures pour obtenir des maquettes virtuelles, base de très nombreux produits (modèle numérique de terrain, BIM…) ;

  • l’évolution actuelle s’oriente régulièrement vers la détection et la recherche dans le nuage d’objets définis dans une base de données. On peut donner comme exemple la détection de tuyaux avec des diamètres définis et des éléments (coudes, T) possédant des dimensions fixes. De très nombreux développements vont actuellement dans ce sens.

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KEYWORDS

lasergrammetry   |   raster 3D   |   point cloud   |   laser scanner

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-rad7420


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1. Types de mesures

Même s’il existe de très nombreux modèles de scanners lasers terrestres, la base du fonctionnement reste le même pour tous :

  • un moteur permet une rotation maîtrisée autour de l’axe principal (généralement presque vertical) de l’instrument ;

  • en parallèle, un système de miroirs ou de prismes réalise une rotation autour d’un axe perpendiculaire au premier ;

  • une pompe à laser émet un rayon qui va, suivant différentes techniques fournir une information de distance ;

  • on stockera également l’intensité du signal retour.

Il est possible de déterminer la position tridimensionnelle de l’impact du rayon émis dans un référentiel local à la position du scanner avec les informations polaires présentées à la figure 1 :

  • un angle dans un plan perpendiculaire à l’axe principal, soit dans le plan xy local (appelé par la suite angle principal) ;

  • un angle normal au 1er (plan z) (appelé par la suite angle secondaire) ;

  • une distance dans l’espace ;

  • une information sur l’intensité du signal retour.

La cadence de mesures oscille entre 50 000 et 1 million de points par secondes. Ces valeurs impressionnantes ont longtemps été un argument marketing. Aujourd’hui, le développement ne se concentre plus sur la vitesse, mais sur le traitement des signaux retours pour minimiser le bruit et filtrer les points de mauvaise qualité.

Même si les observations sont des valeurs polaires, la transformation, pour chaque pixel, en coordonnées tridimensionnelles est généralement réalisée à la volée, directement au sein du capteur. Le résultat minimal visible par l’opérateur est un nuage de points avec pour chaque impact, des coordonnées locales xyz et une valeur d’intensité du signal retour selon le calcul de la figure 2.

Cette dernière valeur d’intensité du signal retour peut prendre différentes formes (pourcentage, valeurs entre des bornes variables…). Elle permet généralement de fournir la première vue colorée du résultat soit en variations RVB (rouge vert bleu), soit en niveaux de gris, comme présentée à la figure 3.

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - LANDES (T.), GRÜSSENMEYER (P.), BOULAASAL (H.) -   Les principes fondamentaux de la lasergrammétrie terrestre : acquisition, traitement des données et applications.  -  Revue XYZ. 129. pp. 25-37 (2011).

  • (2) - BARRAS (V.), FERREIRA (N.) -   ALTER : Auscultation Laser Scanner Terrestre : Feuille de route des analyses des comportements des scans,  -  heig-vd, G2C & CERN (2009).

  • (3) - BARRAS (V.), DELLEY (N.), CHAPOTTE (G.) -   ALTER : Analyses aux limites des scanners lasers terrestres, Parties 1 & 2.  -  Revue XYZ. – 137. pp. 19-31 (2013).

  • (4) - KAMGA (A.P.) -   À chaque scanner son domaine d’activités.  -  Yverdon-les-Bains : heig-vd (2012).

  • (5) - BARRAS (V.), CANNELLE (B.), CHAPOTTE (G.) -   Auscultation sans réflecteur.  -  Revue XYZ. 151. pp. 43-50 (2017).

1 Outils logiciels

CloudCompare : outil open source pour le traitement de nuage de points 3D et les maillages.

http://www.danielgm.net/cc/

JRC 3D Reconstructor : logiciel propriétaire de la société Gexcel pour le traitement de numérisations 3D provenant de plusieurs plateformes constructeurs, pour le traitement de nuages de points, de maillage et de photos.

http://www.gexcel.it/en/software/jrc-3d-reconstructor

MeshLab : outil Open Source pour l’édition et le traitement de maillages triangulaires 3D.

http://www.meshlab.net/

PointSense : logiciel propriétaire de la société FARO fournissant des outils pour la gestion et le traitement de données laser-scanner pour AutoCAD et Revit (Autodesk).

https://www.faro.com/products/construction-bim-cim/faro-pointsense/

Potree : outil open source pour la diffusion de nuages de points via du WebGL

http://potree.org/

RiscanPro : logiciel propriétaire de la société Riegl pour l’acquisition et le traitement de données de laser-scanner 3D.

http://www.riegl.com/products/software-packages/riscan-pro/

3DReshaper :...

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