Tout ce qu'il faut savoir sur les levés topographiques avec les scanners SLAM

Introduction

Vous avez entendu de grandes déclarations sur les scanners de localisation et de cartographie simultanées (SLAM) : Cette technologie peut vous aider à réaliser des mesures plus rapidement, à saisir un contexte plus riche pour le site et à améliorer vos résultats. Elle peut même vous permettre d'être plus en sécurité sur le terrain.

Mais vous êtes sceptique. En tant que professionnel dont la réputation dépend du choix de la bonne technologie, vous avez besoin d'en savoir plus avant de vous engager. Comment fonctionne le scan laser 3D SLAM ? Comment l'utiliser pour les levés topographiques ? Le workflow, est-il complexe ? Est-il suffisamment précis ? Il s'agit d'une technologie "boîte noire", comment peut-on se fier aux résultats ?

Ce guide répondra à toutes ces questions et à bien d'autres encore. Nous commencerons par les bases du levé topographique, puis nous présenterons les avantages et les inconvénients des outils de levé les plus courants aujourd'hui. Ensuite, nous expliquerons ce qu'est le scan laser SLAM, comment il fonctionne, comment l'utiliser et ce qu'il peut faire pour vous.

Commençons.

Qu'est-ce qu'un relevé topographique ?

Un relevé topographique, parfois appelé topo ou relevé de détail, permet de cartographier les limites et les caractéristiques d'une parcelle de terrain. Il produit une carte précise des conditions topographiques actuelles, généralement en préparation de projets d'ingénierie ou de construction.

En fonction du projet, le relevé final livrable peut inclure des courbes de niveau, des lignes de démarcation, des caractéristiques naturelles, des bâtiments et des structures, des bordures, du mobilier routier tel que des panneaux de signalisation et des lampadaires, des services publics ou d'autres caractéristiques.

Workflow: Levés topographiques traditionnels

Outils

Station totale robotisée, prisme et système GPS. Une station totale robotisée mesure les distances et les angles avec une grande précision, tandis qu'un prisme est conçu pour refléter le faisceau d'une station totale ; l'équipement GPS fournit une localisation précise sur la surface de la Terre et vous aide à mettre en place le système de coordonnées approprié pour le levé, mais il n'est que parfois utilisé pour la capture effective de points sur le terrain dans les zones urbaines.

Établir des points de contrôle et les relever à l'aide de votre équipement GPS
Transférer ces coordonnées point de contrôle à la station totale comme base pour tous les autres points.
Installez la station totale de manière à ce qu'elle ait une vue dégagée sur la zone étudiée.
Marchez jusqu'au premier élément
Saisissez les points de relevé de l'élément à l'aide d'un prisme et d'un équipement GPS
Répétez l'opération jusqu'à ce que le relevé soit terminé, en déplaçant le prisme et l'équipement GPS si nécessaire.
Retournez au bureau
Traitez et analyser les données
Rédigez les résultats de la numérisation (cartes, rapports, modèles, etc.)

Produits livrables communs

Modèle numérique d'élévation (DEM) : Représentation en 3D de la surface nue de la Terre, à l'exclusion des éléments naturels. Indique les valeurs d'altitude à intervalles réguliers.
Modèle numérique de terrain (DTM) : Un modèle 3D qui complète le DEM avec des caractéristiques naturelles telles que les rivières, la végétation, etc.
Modèles de bâtiments en 3D : Un modèle géolocalisé qui indique la position, la disposition et les dimensions de toutes les structures sur le site.
Carte de dessin assisté par ordinateur (CAO) : Une carte en 2D qui utilise des points et des dessins au trait pour indiquer tous les détails et caractéristiques nécessaires.

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Workflow: Arpentage virtuel avec scanner laser terrestre (TLS)

Outils

Station totale à balayage ou scanner laser terrestre. Ces stations utilisent le lidar (détection et télémétrie par la lumière) capteurs pour capturer un grand nombre de mesures du site, créant ainsi une image 3D dense et précise ensemble de données appelée nuage de points. Les stations totales ou les systèmes GPS sont normalement utilisés pour mettre en place le réseau de contrôle auquel le nuage de points du scanner laser terrestre se connectera.

Installez le scanner de manière à assurer une couverture maximale avec un minimum d'obstructions.
Capturer un nuage de points
Déplacez le scanner vers l'emplacement suivant en veillant à ce qu'il y ait un chevauchement avec les scans précédents pour une couverture complète.
Répétez ces étapes jusqu'à ce que vous ayez couvert l'ensemble du site
Retournez au bureau
Enregistrez les nuages de points individuels à l'aide d'un logiciel spécialisé de nuage de points
Effectuer des mesures à l'aide d'un logiciel d'arpentage virtuel
Delivrables d'arpentage préliminaire

Produits livrables communs

Modèle numérique d'élévation (DEM) : Représentation en 3D de la surface nue de la Terre, à l'exclusion des éléments naturels. Indique les valeurs d'altitude à intervalles réguliers.
Modèle numérique de terrain (DTM) : Un modèle 3D qui complète le DEM avec des caractéristiques naturelles telles que les rivières, la végétation, etc.
Modèles de bâtiments en 3D : Un modèle géolocalisé qui indique la position, la disposition et les dimensions de toutes les structures sur le site.
Carte de dessin assisté par ordinateur (CAO) : Une carte en 2D qui utilise des points et des dessins au trait pour indiquer tous les détails et caractéristiques nécessaires.

Contrôle NavVis VLX 3 en action !

Denn Engineers, l'un des principaux cabinets de géomètres américains, a testé la technologie par rapport aux méthodes traditionnelles dans une zone urbaine complexe. NavVis a testé cette technologie par rapport aux méthodes traditionnelles d'arpentage dans une zone urbaine complexe.

- nuage de points données en .e57

- CAO fichier en .dwg et .dxf

- Tracé en .pdf

- Comparaison des levés topographiques workflow en .pdf

Obtenir toutes les données

Points douloureux

Ces workflows constituent des moyens fiables pour mesurer un site d'un bout à l'autre. Mais tous les deux présentent des défis importants.

Voici les problèmes les plus courants liés aux méthodes traditionnelles.

Délibération et perte de temps
L'arpentage à l'aide d'une station totale est un processus méticuleux qui nécessite la prise d'un grand nombre de mesures afin de définir avec précision les caractéristiques. Pensez à un élément simple comme une bordure de trottoir droite : Vous devrez capturer un point de relevé tous les 15 à 20 mètres pour définir la ligne. Si la bordure comporte des courbes, vous devrez saisir trois points supplémentaires. Et vous devrez capturer encore plus de points pour les caractéristiques plus complexes. Sur un grand site comportant de nombreuses caractéristiques complexes, le nombre de points de relevé augmente rapidement, tout comme la durée du projet. Et ce n'est pas le nombre de mesures qui compte, mais la marche entre les points. Pour saisir une route, par exemple, vous devez marcher le long de la bordure, tracer cette caractéristique, revenir le long de la bordure pour enregistrer la ligne du canal, marcher jusqu'au centre de la route pour enregistrer la ligne centrale, et enfin répéter tout cela pour l'autre côté de la route. Ainsi, la longueur d'un simple tronçon de route finit par être couverte plusieurs fois, ce qui prend beaucoup de temps et d'énergie.
Lenteur perçue avec un scanner statique
Les scanners laser montés sur trépied sont beaucoup plus rapides que les stations totales traditionnelles, mais ils peuvent encore donner l'impression d'être lents et délibérés. Si l'on ajoute le temps nécessaire à l'installation du scanner, à la capture et au déplacement vers la station suivante, il vous faudra plus de temps que nécessaire pour obtenir un seul site nuage de points. Lorsqu'un relevé nécessite ne serait-ce qu'une douzaine d'installations, le temps passé sur le terrain peut s'avérer long.
Les levés traditionnels ne sont pas exhaustifs
Les meilleures pratiques en matière de levés par station totale indiquent qu'il ne faut relever que les caractéristiques définies dans l'étendue du projet. Cette approche, bien qu'efficace en termes de focalisation du projet, peut devenir inefficace si les exigences du projet changent ou s'étendent. Le problème survient alors lorsqu'une partie prenante vous contacte ultérieurement pour vous demander des détails sur un élément qui ne fait pas partie du projet, comme une limite ou une bordure de trottoir. Il faut alors retourner sur le site et effectuer un second levé, ce qui représente un surcroît de temps et d'argent.
Lacunes dans les données
Un scanner laser ne peut capturer que les éléments situés dans sa ligne de visée. Si vous ne planifiez pas soigneusement, en tenant compte de chaque occlusion et en ajoutant des scans supplémentaires pour assurer une bonne couverture, vous risquez de vous retrouver avec des zones vides dans vos données de scan laser 3D. Et l'élément que vous essayez de mesurer pourrait être perdu dans l'une de ces zones vides.
Problèmes de sécurité
La nécessité de placer physiquement des prismes ou des équipements GPS - ou des poteaux de détail - à proximité des points d'arpentage peut présenter des risques importants pour la sécurité. L'arpentage d'une ligne routière, par exemple, implique de se tenir au centre d'une route très fréquentée. Il est facile d'imaginer qu'il s'agit là d'un problème sérieux dans le cadre des processus d'arpentage traditionnels.
Manque de documentation photographique
Les photographies ajoutent un contexte riche et précieux à toute enquête. Malheureusement, la plupart des équipements classiques ne permettent pas de capturer automatiquement toutes les images souhaitées. C'est donc à vous, geomètre, qu'il incombe de prendre manuellement des photos. Alors que vous êtes déjà occupé à réaliser une étude complexe. Il en résulte que la couverture photographique est souvent reléguée au second plan.

Progrès dans les techniques d'arpentage: Le scan SLAM

Les scanners de localisation et de cartographie simultanées (SLAM) promettent de changer la façon dont nous effectuons les levés topographiques.

Un scanner SLAM ressemble beaucoup à un scanner terrestre en ce sens qu'il capture des données 3D utilisables dans le cadre d'un workflow d'arpentage virtuel. Cependant, les scanners SLAM sont différents sur un point très important : Ils exploitent des capteurs et des algorithmes sophistiqués pour améliorer considérablement votre workflow de capture 3D.

Ces appareils vous permettent de capturer des données 3D à la vitesse de la marche. Ils produisent des nuages de points entièrement colorés et photoréalistes, automatisent le processus d'enregistrement et réduisent même vos frais de déplacement. Et ce n'est pas tout.

Mais avant de nous plonger dans les avantages, commençons par le début et répondons à certaines de vos questions de base sur le SLAM.

Introduction au SLAM

Le SLAM n'est pas un matériel ou un logiciel spécifique, mais un terme général désignant un processus technologique. Il a été développé dans les années 80 pour aider les robots à naviguer de manière autonome dans de nouveaux environnements sans carte. Aujourd'hui, le SLAM est utilisé dans diverses applications, des véhicules autonomes aux applications de réalité augmentée pour smartphones. Il s'agit également d'un élément essentiel de la dernière génération de scanners laser.

Il existe de nombreuses approches SLAM, mais l'idée de base est similaire dans toutes les mises en œuvre. Pour illustrer son fonctionnement, voici une explication de haut niveau du processus SLAM dans le cadre de la numérisation 3D :

Vous allumez le scanner SLAM
Il capture votre environnement à l'aide d'un lidar, de caméras et d'autres capteurs
L'algorithme SLAM traite ces données pour "identifier" les éléments qui vous entourent.
Il utilise ces caractéristiques pour construire une carte 3D approximative
Et estime sa propre position sur cette carte
Lorsque vous déplacez l'appareil, il collecte de nouvelles données à partir de ses capteurs
L'algorithme SLAM utilise ces données pour améliorer sa carte 3D.
Ce qui lui permet d'améliorer son estimation de localisation
Et ainsi de suite

En répétant ces étapes des milliers de fois par seconde, un scanner SLAM haut de gamme tel que le NavVis VLX 3 suit sa propre trajectoire pendant que vous le transportez. Il construit également une carte en 3D du site avec une très grande précision.

Consultez notre guide éducatif complet ici pour une exploration beaucoup plus approfondie du SLAM →

Le SLAM c'est comme un relevé par station totale

Il se peut que vous ayez lu cette explication et que vous pensiez toujours que SLAM est une technologie à boîte noire. Si c'est le cas, il peut être utile d'apprendre qu'un bon scanner SLAM repose sur un grand nombre de principes identiques à ceux d'une bonne méthode d'arpentage par station totale.

Lectures prévisionnelles et rétrospectives

Dans les levés traditionnels effectués à l'aide d'une station totale, les relevés en amont et en aval sont essentiels pour la précision. Les relevés à contre-jour consistent à pointer la station totale vers un point de référence dont l'élévation est connue, tandis que les relevés à contre-jour sont effectués vers le nouveau point à mesurer. Ces relevés permettent d'établir la position et l'altitude de la station totale et du point à mesurer.

Les scanners SLAM font également référence à des points précédemment établis pour déterminer leur position en trois dimensions. Alors que vous pouvez effectuer ces calculs de temps en temps, un scanner SLAM le fait en permanence, ce qui améliore l'exactitude et la précision de ses mesures.

Fermetures de la traversée

Lorsque vous travaillez avec une station totale, vous terminez parfois le travail en relevant à nouveau le point de départ. C'est ce qu'on appelle une traversée fermée, qui permet de vérifier et de corriger les éventuelles divergences ou erreurs dans les mesures. Vous pouvez faire la même chose avec un scanner SLAM en effectuant une traversée fermée, aussi appellée fermeture de boucle.

Il suffit de revenir à une zone précédemment capturée. Le système utilisera automatiquement cet emplacement connu comme point de référence, effectuera d'autres relevés et corrigera les erreurs qui ont pu s'accumuler au cours du scan laser 3D.

Réseau de contrôle

Vous commencez un levé en établissant un réseau de contrôle, ce qui implique la mise en place de points de levé et de repères. Cette grille sert de référence pour tous les autres relevés effectués au cours de la numérisation.

Certains scanners SLAM avancés, comme le NavVis VLX 3, peuvent également utiliser un réseau de contrôle comme référence. Lorsque vous traitez les données dans le cloud, des algorithmes sophistiqués utilisent ces points de contrôle - en plus des relevés mentionnés ci-dessus - pour améliorer la précision du résultat final du nuage de points.

Workflow: Le scan SLAM pour les levés topo ou de détail

Bien que chaque scanner SLAM offre ses propres workflows, l'idée générale est la même. Voici comment capturer un relevé topographique à l'aide d'un scanner NavVis VLX 3 :

Établissez un réseau de contrôle des levés sur l'ensemble du site
Marchez sur le site avec un NavVis VLX 3 pour capturer un ensemble de données 3D et des panoramas HD
L'interface tactile intégrée permet de suivre la progression de la numérisation en temps réel et de marquer les points de contrôle.
Alignez le crochet de ceinture de NavVis VLX 3 avec les points de contrôle pour déclencher leur capture
Sauvegardez vos données et téléchargez-les sur NavVis IVION pour un traitement et une optimisation dans le cloud.
Produisez tout autre livrable de numérisation souhaitéà l'aide d'un logiciel spécialisé

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Dix avantages de la numérisation SLAM pour les levés topographiques et de détail (et un autre)

La numérisation SLAM offre plusieurs avantages considérables pour les levés topographiques et les levés de détail.

1. Accélération de la capture
Tout d'abord, le plus important : la vitesse. Comme les scanners SLAM capturent des données 3D en marchant, ils accélèrent considérablement les workflows de capture. Prenons l'exemple d'un site pour lequel il faudrait 11 heures pour capturer à l'aide d'une station totale. Des années d'essais sur le terrain et d'expérience professionnelle ont montré que vous pourriez réaliser la même capture en seulement 2 heures avec un scanner SLAM .

Découvrez la rapidité du NavVis VLX 3 par rapport à un scanner laser terrestre →

2. Bonne précision
Les géomètres étaient sceptiques à l'égard des premiers scanners SLAM parce qu'ils produisaient des nuages de points de faible précision. Aujourd'hui, la technologie est parfaitement au point.

Un système de scan laser 3D SLAM de qualité supérieure tel que le NavVis VLX 3 peut produire un nuage de points d'une précision de 5 mm ou plus, en particulier lorsque l'on fait descendre les données jusqu'au contrôle des levés. Ces données sont plus que suffisamment précises pour discerner des éléments tels que l'avant et l'arrière d'une bordure de trottoir. Ou pour produire des produits livrables tels que des DTM, des DEM ou des cartes CAO .

3. Pas de données manquantes
Les scanners SLAM comme le NavVis VLX 3 sont dotés d'une interface tactile intégrée qui offre un retour d'information visuel en direct sur la progression de la numérisation. L'écran permet de repérer facilement une ombre dans les données et de la combler en contournant une occlusion. Le résultat est un ensemble complet de données 3D avec des mesures pour chaque élément du site.

4. Enregistrement automatique
La plupart du temps, une station totale - qui génère un nuage de points pour chaque capture - sera installée sur un clou d'arpentage, ou sa position sera établie par résection ; lorsque ce n'est pas le cas, avant de préparer les livrables, vous devrez enregistrer ensemble tous les nuages de points générés. Malheureusement, le processus d'enregistrement pour les scanners basés sur un trépied prend souvent beaucoup de temps.

Les systèmes de numérisationSLAM automatisent ce processus d'enregistrement pour vous faire gagner du temps. NavVis VLX 3, par exemple, exploite toute la puissance de calcul de puissance pour traiter, optimiser et géolocaliser les nuages de points. NavVis IVION pour traiter, optimiser et géo-enregistrer les nuages de points avec un minimum de supervision humaine.

5. Nuages de points photoréalistes
Un scanner SLAM tel que le NavVis VLX 3 utilise plusieurs caméras à 360° pour capturer des images haute définition pendant que vous marchez. Au cours de la phase de traitement, le logiciel d'accompagnement NavVis IVION combine ces photos avec le nuage de points pour produire un ensemble de données 3D photoréalistes.

Vous pouvez utiliser ces nuages de points colorisés pour examiner les détails autour du site, tout comme vous le feriez en regardant des photographies (mais en mieux, car vous pouvez aussi prendre des mesures). Vous pouvez zoomer sur le tracé des routes, les bordures et les structures pour les examiner de près et répondre à des questions telles que : la route est-elle fissurée ? La chaussée est-elle fraîche ? Cet abribus doit-il être remplacé ?

6. Livrables automatisés CAO
Si vous souhaitez accélérer davantage votre enquête workflow , vous pouvez exporter votre nuage de points après traitement et utiliser des outils tiers tels que TopoDOT, n4ce et SCC-CAO pour extraire automatiquement le tracé, les caractéristiques et les détails afin de produire rapidement des livrables CAO de haute qualité.

7. Sécurité améliorée
Un scanner SLAM comme le NavVis VLX 3 peut capturer des mesures jusqu'à une portée opérationnelle de 50 mètres. Cela signifie que vous pouvez obtenir des données sur le tracé des routes ou d'autres détails sans vous mettre en danger.

8. Pas de fermeture de la circulation
En vous évitant de circuler sur la route, le scan laser 3D SLAM élimine la nécessité de fermer la circulation lors de l'exécution d'un levé topographique ou d'un levé de détail d'une route. Le résultat est une économie significative pour votre client.

9. Réduction du temps et des frais de déplacement
Un scanner SLAM produit un ensemble de données 3D complet, détaillé et précis qui vous permet d'effectuer un relevé virtuel depuis votre bureau. Par conséquent, lorsqu'une partie prenante du projet nécessite de nouvelles données d'arpentage non définies dans l'étendue initiale, il vous suffit d'ouvrir l'ensemble de données 3D dans votre logiciel et d'effectuer un autre arpentage virtuel, sans avoir à vous déplacer.

10. Polyvalence
Les systèmes de numérisation SLAM sont suffisamment robustes pour être utilisés dans de nombreux environnements, notamment à l'intérieur des bureaux, dans les installations industrielles, sur les chantiers de construction, dans les parkings, dans les bâtiments des services publics, sur les ponts et dans les environnements urbains tels que les carrefours.

11. Une équipe efficace (et heureuse)
Un autre atout fondamental sur le chantier. Il peut être difficile de constituer des équipes de terrain, car la main-d'œuvre qualifiée est rare. L'utilisation de la technologie SLAM pour les levés topographiques et de détail présente l'avantage considérable de rendre l'équipe de terrain plus efficace et d'offrir la possibilité d'entreprendre davantage de projets avec l'équipe existante. La qualité de vos travaux s'améliorera et votre équipe sera plus heureuse, la plupart des travaux étant déplacés des rues animées, à la merci des conditions météorologiques, vers le bureau.

Capture des routes urbaines

Il s'agit d'un relevé détaillé d'un carrefour routier - un site d'environ 5 000 m² avec peu d'obstacles, peu d'occultations, un éclairage cohérent, une longue ligne de visée et un grand site champ de vision.

Par rapport aux méthodes de relevé traditionnelles, le NavVis VLX 3 offre :

Acquisition 2,5 fois plus rapide
Travail de bureau 2,1 fois plus rapide
Une réduction totale de 35 % du temps de travail

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Un client de NavVis a réduit le temps passé sur le site de 87,5 %, tout en diminuant les frais de gestion du trafic et en réduisant les coûts globaux.

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