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ZEB-REVO : étude d’un scanner dynamique mobile etdes ses applications au sein d’un cabinet
Bastien Ricard
To cite this version:Bastien Ricard. ZEB-REVO : étude d’un scanner dynamique mobile et des ses applications au seind’un cabinet. Sciences de l’ingénieur [physics]. 2017. �dumas-01835780�
CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS
ECOLE SUPERIEURE DES GEOMETRES ET TOPOGRAPHES
___________________
MEMOIRE
présenté en vue d'obtenir
le DIPLOME D'INGENIEUR CNAM
SPECIALITE : Géomètre et Topographe
par
Bastien RICARD
___________________
ZEB-REVO : étude d’un scanner dynamique mobile
et des ses applications au sein d’un cabinet
Soutenu le 30 juin 2017
_________________
JURY
PRESIDENT : M. Jérôme VERDUN Président
MEMBRES : M. Lionel GUILLET Maître de stage
M. Ghyslain FERRE Professeur référent
2
Remerciements
Je tiens tout d’abord à remercier mon maître de stage Monsieur Lionel GUILLET qui m’a
chaleureusement accueilli dans son entreprise. Il m’a apporté toute son expérience et ses conseils
avisés pour mener à bien ce travail de fin d’études.
Je souhaite également remercier Monsieur Jérémie LATGE, géomètre-expert responsable de l’agence
de Castanet-Tolosan pour son soutien tout au long du stage et l’intérêt qu’il a porté à mon sujet de
stage.
J’adresse un merci tout particulier à Messieurs Lionel LAJARRETIE et Mathieu ESCUDIE, les
techniciens du bureau de Castanet-Tolosan, pour les moments passés ensemble et leur soutien
bienveillant.
Merci aussi à l’ensemble des personnes travaillant chez Géo Sud Ouest pour leur sympathie durant
ces cinq mois de stage.
Je terminerai en remerciant vivement Monsieur Ghyslain FERRE, mon professeur référent, pour sa
disponibilité ainsi que nos échanges constructifs et précieux.
Enfin, je tiens à mentionner mes parents et ma sœur qui ont toujours cru en moi, ainsi que Marielle
CAZALIS, toujours présente, et dont les encouragements me sont précieux.
3
Liste des abréviations
MLS : Mobile Laser Scanning
GNSS : Global Navigation Satellite Système
PLS : Personal Laser Scanning
MEMS : Micro Electro Mechanical Systems – Micro systèmes électromécaniques
IMU : Inertial Measurement Unit – Unité de mesure inertielle
SLAM : Simultaneous Localization And Mapping – Localisation et cartographie simultanées
Laser : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - Amplification de lumière par
émission stimulée de rayonnement
4
Table des matières
Remerciements ........................................................................................................................... 2
Liste des abréviations ................................................................................................................. 3
Introduction ................................................................................................................................ 5
1. Description du ZEB-REVO ............................................................................................... 7
1.1 PRESENTATION DU SYSTEME ................................................................................................................... 7
1.2 FONCTIONNEMENT DE LA TECHNOLOGIE GEOSLAM ........................................................................... 8
1.3 PRINCIPE DE LA MESURE.......................................................................................................................... 9
1.4 TRAITEMENT DES DONNEES ..................................................................................................................... 9
1.4.1 LOGICIEL ZEB1 UPLOADER ............................................................................................................ 9
1.4.2 LOGICIEL GEOSLAM DESKTOP ................................................................................................... 12
1.5 AVANTAGES ET INCONVENIENTS ........................................................................................................... 15
1.6 LA ZEB-CAM ........................................................................................................................................ 17
1.7 COMPARAISON AVEC D'AUTRES SCANNERS DYNAMIQUES .................................................................... 18
1.7.1 COMPARAISON AVEC LE ZEB1 .................................................................................................... 19
1.7.2 COMPARAISON AVEC LE FARO SCANNER FREESTYLE 3D ............................................................ 21
1.7.3 COMPARAISON AVEC LE LEICA PEGASUS : BACKPACK ................................................................ 21
2. Tests et analyses ............................................................................................................... 22
2.1 REALISATION DE TESTS ET ENSEIGNEMENTS ........................................................................................ 22
2.1.1 VITESSE DE LEVE ......................................................................................................................... 22
2.1.2 PRECISION RELATIVE ................................................................................................................... 23
2.1.3 TECHNIQUES DE LEVE .................................................................................................................. 24
2.2 CONTROLE ............................................................................................................................................. 34
2.3 NETTOYAGE DU NUAGE DE POINTS ........................................................................................................ 36
2.4 MODE OPERATOIRE ............................................................................................................................... 38
2.5 COMPARAISON AVEC LES MESURES D’UN SCANNER STATIQUE : LE FARO FOCUS X330 ..................... 39
2.5.1 ETUDE SUR LES PRECISIONS ......................................................................................................... 39
2.5.2 RENDEMENT FINANCIER .............................................................................................................. 41
3. Nouvelles applications ..................................................................................................... 43
3.1 COMPARAISON ENTRE UN LEVE EN EXTERIEUR ET EN INTERIEUR ....................................................... 43
3.2 APPLICATIONS A DEVELOPPER AU SEIN DE L’ENTREPRISE ................................................................... 44
3.2.1 LEVE DE PISTE ............................................................................................................................. 44
3.2.2 LEVE FORESTIER .......................................................................................................................... 45
3.2.3 PLAN DE MASSE ........................................................................................................................... 47
3.2.4 CALCUL DE CUBATURES .............................................................................................................. 48
3.2.5 CHAMBRE DE VANNES ................................................................................................................. 49
3.3 RECALAGE DE PLUSIEURS NUAGES DE POINTS ...................................................................................... 49
3.4 RATTACHEMENT AU SYSTEME LEGAL D’UN NUAGE DE POINTS ............................................................ 50
3.5 AMELIORATIONS POSSIBLES DU SYSTEME ............................................................................................ 53
Conclusion ................................................................................................................................ 55
Bibliographie ............................................................................................................................ 56
Liste des figures ....................................................................................................................... 57
Liste des tableaux ..................................................................................................................... 59
5
Introduction
Présentation de l’entreprise d’accueil
J’ai réalisé mon stage de fin d’études au sein de l’entreprise Géo Sud Ouest, une SARL de
géomètres experts dont le siège social se situe à Castres (81). Ce cabinet est né de l’association de
M.DUHEM et de M.GUILLET au 1er janvier 2013.
Géo Sud Ouest est une société comptabilisant près de 23 collaborateurs répartis sur 5 sites dans le
Sud Ouest de la France : Albi, Castres, Mazamet (81) ainsi que Narbonne (11) et Castanet-Tolosan
(31). Cet établissement réalise des prestations variées : cela comprend les domaines du foncier, de
l’architecture, de la topographie, de l’urbanisme…
A mon arrivée, l’entreprise était déjà propriétaire d’un scanner laser statique, le Faro Focus X330 et
d’un scanner mobile, le ZEB-REVO de GeoSLAM objet de mon étude. Ces appareils sont utilisés avant
tout pour réaliser des relevés d’intérieurs et des travaux d’architecture. La clientèle du cabinet est
diversifiée et comprend des particuliers, des personnes publiques mais aussi des entreprises.
Contexte de l’étude
Aujourd’hui, les méthodes de levés tridimensionnels permettent de répondre à presque
toutes les missions du géomètre. C’est un élément devenu essentiel au sein d’un cabinet. La
lasergrammétrie, utilisée principalement en mode statique, évolue avec le développement de
systèmes mobiles.
Les premiers scanners laser terrestres mobiles sont apparus il y a une dizaine d’années sous la forme
de scanners embarqués sur des voitures. Aujourd’hui, de nouveaux instruments mobiles sont utilisés
comme les drones, des chariots ou même l’homme lui-même. Ces systèmes sont capables de
numériser de vastes zones en un temps réduit.
Ainsi les cabinets de géomètres s’équipent de plus en plus de matériel d’acquisition de données 3D
permettant de modéliser un environnement. Les techniques d’acquisition tridimensionnelle ont
tendance à se développer très rapidement et il est important de ne pas se laisser distancer et donc
de se mettre régulièrement à jour dans ce domaine. Les principaux systèmes de balayage laser
mobile offrent des solutions plus rapides et plus rentables que les lasers scanners statiques. Les MLS
(Mobile Laser Scanning) utilisent une technologie qui combine un outil de navigation lui permettant
de déterminer la position du scanner et le scanner qui collecte des données 3D de son
environnement. Ces systèmes sont généralement constitués d’un scanner laser, d’un support
modulable ou non et d’un mécanisme de détermination de positionnement et d’orientation comme
un récepteur GNSS (Global Navigation Satellite System) et/ou une centrale inertielle.
Dans cette étude, nous allons nous intéresser à un nouveau système de scanner 3D appelé Personal
Laser Scanning (PLS). Cette catégorie a vu le jour aux débuts des années 2010 et elle correspond aux
instruments portables à main ou de type sac à dos. Peu d’ouvrages ou d’études ont, pour le moment,
abordé sur ce sujet.
6
Problématique
L’arrivée de ce nouveau mode d’acquisition nous amène à nous questionner :
Comment ces nouveaux venus bouleversent-ils la hiérarchie des scanners lasers ? Peuvent-ils les
remplacer pour toutes sortes de travaux ? Quels sont véritablement leurs atouts et sont-ils
rentables ?
L’entreprise Géo Sud Ouest consciente de ces enjeux a fait l’acquisition d’un scanner laser portable
du constructeur GeoSLAM : le ZEB-REVO. Le défi est dans un premier temps de comprendre la façon
dont fonctionne le système puis de déterminer les conditions les plus favorables qui permettraient
de répondre aux attentes de l’entreprise. Il faut ensuite, vérifier la cohérence des mesures et leur
précision par des comparaisons. Ces dernières seront effectuées à partir des travaux réalisés en
entreprise et par différents moyens, techniques ou matériels. L’objectif final de ce travail d’études,
est de déduire les types de chantier pour lesquels cet appareil est utilisable et donc plus rentable
financièrement qu’une autre méthode de levé.
7
1. Description du ZEB-REVO
1.1 Présentation du système
Le ZEB-REVO est un hand-held mobile mapping, c’est-à-dire un scanner 3D mobile portable à
main de la marque GeoSLAM.
Cette entreprise a été fondée en 2012 à l’Est de Nottingham au Royaume-Uni sous la forme d'une
coopération entre CSIRO (l'Agence nationale de la science australienne) et 3D Laser Mapping
(entreprise mondiale de solutions 3D LIDAR). Initialement, GeoSLAM était le fabricant et le revendeur
du scanner laser portatif ZEB1, puis la société a connu une croissance rapide qui intègre maintenant
un réseau mondial de distributeurs desservant 32 pays sur 6 continents. Le ZEB-REVO a été lancé en
mars 2016 et commercialisé en novembre 2016.
Les scanners lasers utilisent des traitements de signaux pour calculer la distance séparant l’émetteur
de l’obstacle. Connaissant la direction visée par l’appareil, on obtient alors la position dans l’espace
tridimensionnel de l’obstacle rencontré. En répétant cette opération dans de multiples directions, on
obtient un nuage de points 3D décrivant l’espace exploré par l’appareil.
Le ZEB-REVO est composé d’un sac à dos et d’une « tête » reliés entre eux par un câble.
Figure 1 : Photographies du ZEB-REVO - Source personnelle
Le sac à dos pèse 3,1kg et le scanner seulement 1kg. A l’intérieur de la « tête » de l’appareil se situe
un capteur laser scanner à mesure de distance par décalage de phase permettant de prendre près de
40 000 points/seconde et des capteurs de mesures inertielles. Le sac à dos est lui composé d’une
mémoire de stockage et d’un calculateur de la centrale inertielle permettant de reconstituer la
trajectoire et les mouvements de la tête. La technologie GeoSLAM permet de combiner les mesures
du scanner et de la centrale inertielle.
Avec son approche modulaire, le ZEB-REVO peut-être monté sur des voitures, des bateaux, des
drones et des véhicules pilotés à petite échelle. Il doit être utilisé entre 0 et 50°C et avec moins de
85% d’humidité. Son utilisation est donc impossible sous la pluie et par des températures négatives
comme à l’extérieur en hiver. La batterie a une autonomie un peu supérieure à 4 heures, ce qui lui
permet facilement d’être utilisable pendant toute une demi-journée. La capacité de stockage est de
55GB soit un équivalent de plus de 90 heures de scan (une minute de scan étant équivalent à
0,01GB).
8
1.2 Fonctionnement de la technologie GeoSLAM
Le ZEB-REVO fonctionne avec la technologie dite « SLAM ». SLAM est l’acronyme de
Simultaneous Localization And Mapping. C’est un procédé permettant de réaliser des mesures dans
le but d’obtenir une représentation d’un environnement et de se localiser dans celui-ci. Elle est née
dans l’industrie de la robotique.
La technologie GeoSLAM couple des mesures inertielles MEMS et des mesures d’un scanner laser.
Le scanner laser est un appareil d’acquisition 3D. Les mesures sont basées sur une technique
d’observation à distance fondée sur l'analyse des propriétés d'un laser renvoyé vers son émetteur.
Les mesures inertielles MEMS, acronyme de Micro Electro Mechanical Systems, sont des dispositifs
miniaturisés combinant plusieurs principes physiques. Utilisé en tant que capteur, un MEMS possède
une partie mobile sensible à la variation d’une grandeur physique : c’est ce que l’on appelle une
centrale inertielle. Cette variation est alors traduite en une grandeur électrique, analysée ensuite par
la partie électronique du MEMS.
Une centrale inertielle ou IMU (Inertial Measurement Unit) est un ensemble de capteurs permettant
de mesurer le mouvement qui n’utilise aucune information extérieure au mobile. On parle de
centrale à inertie lorsque l'on cherche à mesurer l'ensemble de six grandeurs physiques de la
cinématique : les trois accélérations linéaires grâce à un accéléromètre et les trois vitesses angulaires
ou vitesses de rotation grâce au gyromètre. L’utilisation combinée de ces différents capteurs
présente l’avantage d’obtenir une information de localisation complète. En effet, partant d’une
position de départ, il est possible de connaitre la position, la vitesse, le cap, la rotation, ainsi que
l’accélération d’un objet en mouvement. Un autre avantage est l’indépendance des centrales
inertielles, puisqu’il n’est pas nécessaire d’avoir recours à un dispositif extérieur pour obtenir la
localisation d’un mobile. Enfin, leur cadence de fonctionnement ainsi que leur compacité sont des
atouts. C'est la même technologie qui est utilisée dans les avions ou les voitures autonomes par
exemple.
L'IMU est utilisée pour estimer une position initiale et pour recréer la trajectoire dans
l’environnement grâce au calculateur. Afin d'optimiser davantage la trajectoire et de limiter toute
dérive de l'IMU, une boucle fermée est réalisée. Cependant, il est possible de ne pas revenir au point
de départ mais dans ce cas précis il faudra bien l’indiquer lors des calculs. L'estimation de position est
relative au point de départ et aux points de recalage tout au long du scan : ce sont les éléments de
surface. Donc le calculateur prend aussi en compte les points scannés et les fait correspondre aux
surfaces ou objets déjà levés. Pour que l’algorithme puisse trouver des points communs entre
différentes périodes de scans, il faut des caractéristiques significatives. Par exemple pour un levé à
une portée de 5 mètres, les objets peuvent être des caractéristiques significatives s’ils mesurent plus
de 50 centimètres. Il existe donc un rapport de 1 :10 entre la portée et la dimension de l’objet à
respecter. L’ensemble de ces informations permet ensuite au calculateur de corriger et de lisser
l'estimation de la trajectoire. Suite à ce processus itératif, le nuage de points final est recréé sur la
base de la nouvelle trajectoire. Le résultat généré est une représentation cohérente de
l’environnement du ZEB-REVO.
9
Pour calculer sa trajectoire, le ZEB-REVO ne pourrait utiliser que les données d’une seule technologie
soit celle de la centrale inertielle soit celle des éléments de surfaces communs. En couplant
l’utilisation de ces deux méthodes, le calculateur a une abondance d’informations qu’il recoupe et
qui lui permet d’effectuer un meilleur contrôle de sa trajectoire.
1.3 Principe de la mesure
Au départ, cet appareil est utilisé pour réaliser des opérations en intérieur. C’est d’ailleurs
pour cela que l’entreprise Géo Sud Ouest l’a acheté, son principal objectif est de l’utiliser pour
calculer des surfaces ou établir des plans de copropriété.
Le but de cet appareil est de pouvoir lever toutes les situations rapidement en 3D. Le mode
opératoire préconisé par GeoSLAM est le suivant.
Il faut commencer par poser la tête du ZEB-REVO sur une surface plane mais pas forcément
horizontale.
Ensuite, pour démarrer le scan, on allume l’appareil et on pivote la tête de l’appareil de 180°. C’est à
ce moment là que démarre l’initialisation. Il faut attendre que la led sur le côté de la tête soit verte
pour appuyer sur le bouton de la tête afin de commencer le levé. Si on le souhaite, on peut aussi
activer la ZEB-CAM au même moment.
Pendant le levé, selon la notice, il faut passer les portes en marche arrière, marcher lentement, se
tenir à une portée inférieure de 30m à l’intérieur et de 15m à l’extérieur. Il est aussi recommandé de
placer des objets dans des pièces vides ou contre des murs nus (par exemple : couloirs) pour éviter
une dérive possible de la centrale inertielle et de recaler les points entre eux. Le lever ne doit pas
durer plus de 30 minutes.
Une fois le levé fini, il faut reposer la tête du ZEB à l’endroit du départ. Après deux-trois tours de tête,
on appuie sur le même bouton qu’au début du scan. Pendant une quinzaine de secondes après la fin
du levé, il ne faut surtout pas déplacer l’appareil car il est en train de se désinitialiser. Ensuite,
l’appareil compresse le scan pour le stocker dans la mémoire.
Après cette courte période, le câble auxiliaire et sa clef USB peuvent être branchés pour le transfert
des données. Si l’utilisateur souhaite recommencer un levé, il suffit de tourner de 180 degrés la tête
du ZEB-REVO.
Cette méthode peut être perfectible et adaptée suivant les missions que le géomètre a à remplir.
Suite à plusieurs tests, nous verrons dans la deuxième partie le mode opératoire qui convient le
mieux.
1.4 Traitement des données
1.4.1 Logiciel Zeb1 Uploader
Les données envoyées au serveur anglais de GeoSLAM par l’intermédiaire du logiciel Zeb1
Uploader ont comme extension .param et .bag. Elles contiennent des informations sur les points et
les conditions du levé.
10
Figure 2 : Interface du logiciel Zeb1 Uploader
Après avoir payé avec des crédits, le serveur nous renvoie des fichiers .ply correspondant à la
trajectoire réalisée et au nuage de points sous-échantillonné ainsi qu’un fichier .laz représentant
l’ensemble du nuage de points.
Figure 3 : Fichier au format .ply représentant la trajectoire de l’appareil
11
A la fois dans le cas de l’envoi et de la réception, l’échange des données est réalisé en compressant
les fichiers regroupés dans un fichier .zip. Le fichier qui nous intéresse le plus est le nuage de points
en .laz que l’on pourra traiter avec la majorité des logiciel de traitement de nuage de points 3D.
Il reste tout de même le problème du contrôle. En effet, une fois les données exportées de l’appareil,
nous n’avons aucun moyen de vérifier si le calcul a bien fonctionné. Il faut donc dans tous les cas
payer pour voir le résultat, avec un prix d’environ 1 crédit pour 2m3 levés (1 crédit valant 0,50€).
Un des fichiers .ply qui nous est renvoyé par GeoSLAM est un nuage de point colorisé par un dégradé
du bleu au rouge représentant les conditions de levé. Ce nuage est visible grâce au logiciel
CloudCompare. Les points en rouge représentent les régions où le processus du calcul de
l’algorithme de calcul GeoSLAM a éprouvé des difficultés (réflectance faible et insuffisance du
nombre d’éléments de surface), en bleu : les points calculés facilement. Il nous permet de détecter
plus rapidement les endroits où la centrale inertielle a pu dériver.
Figure 4 : Fichier au format .ply représentant les conditions du levé
Ce nuage de points du relevé de la basilique Saint Sernin à Toulouse nous indique les points dont le
calcul a été plus ou moins difficile. La totalité de ces points se situent à l’extérieur. La couleur rouge
s’intensifie lorsque les conditions s’appauvrissent. Cela indique qu’il y a peu d’éléments de surface et
que la réflectivité est plus faible qu’à l’intérieur où l’ensemble des points sont colorisés en bleu.
12
1.4.2 Logiciel GeoSLAM Desktop
Géo Sud Ouest a acheté, au cours de mon TFE, le logiciel Desktop V3, plus rentable que
l’utilisation de Zeb1 Uploader. En effet, une fois acheté, ce logiciel n’utilise pas de crédit. Les calculs
sont donc réalisés directement en local (pas de connexion internet requise). Il permet à l’utilisateur
d’intervenir sur les paramètres permettant le calcul de nuage de points.
Propriétés des fichiers en sortie
Ce logiciel permet d’obtenir des résultats personnalisés. L’utilisateur a plusieurs choix à faire.
Il peut notamment décider du format du nuage de points en sortie. Pour gagner du temps au bureau
et éviter d’accumuler les manipulations de fichiers parfois lourds, on pourra, contrairement au
logiciel Zeb1 Uploader choisir un fichier .e57 (utilisable dans le logiciel Scene de Faro).
Figure 5 : Choix du type de fichier en sortie du logiciel GeoSLAM Desktop V3
Ensuite, l’utilisateur pourra faire d’autres choix concernant la colorisation du nuage, le sous-
échantillonnage, visualiser la vue d’ensemble ou encore l’importation de fichiers vidéo capturés avec
la ZEB-CAM.
13
Options de calcul
En ce qui concerne le calcul, l’utilisateur doit dans un premier temps régler les paramètres
locaux. Ces paramètres correspondent au calcul que le logiciel réalise petit à petit.
Figure 6 : Choix des paramètres locaux de calcul dans l’interface du logiciel GeoSLAM Desktop V3
Il est possible de jouer sur le seuil de convergence, c’est-à-dire que si l’on augmente ce paramètre,
on augmente le nombre d’itérations de chaque étape de reconnaissance de points communs entre
deux instants t et t+1 et on baisse le seuil de convergence. Cette opération peut permettre d’affiner
le résultat et de s’assurer de la validité des points communs.
L’usager peut obliger l’algorithme à prendre des échantillons plus importants de données. Il va
augmenter son champ d’application pour trouver des éléments de surface communs. Cela peut aider
à consolider le calcul mais amène une augmentation du temps de traitement.
Ensuite, le Voxel (contraction de « volume » et de « élément ») de l’algorithme peut être augmenté.
Dans ce cas-là, le calcul prendra en compte plus de points dans un même volume et permettra donc
de détecter plus de détails pour les faire correspondre ensemble.
L’utilisateur peut modifier les paramètres de rigidité. L’algorithme sera donc soit majoritairement
influencé par les données de la centrale inertielle, soit par la reconnaissance des éléments de
surfaces. C’est le paramètre majeur du calcul, il peut influencer significativement le résultat.
Un dernier paramètre local permet de fixer les dimensions de la zone limite, autour de la tête du
ZEB-REVO, dans laquelle les points sont ignorés. Cela peut concerner les mesures influencées par des
piétons ou des véhicules qui sont passés entre l’appareil et l’objet à scanner. A l’inverse, on pourra
réduire cette zone lorsque le levé se déroule dans des endroits exigus.
14
Dans un deuxième temps, l’utilisateur doit régler les paramètres globaux du calcul. Ceux-ci
n’interviennent qu’après les calculs réalisés en local. Ils permettent de s’assurer de la conformité de
l’ensemble du levé.
Figure 7 : Choix des paramètres globaux de calcul dans l’interface de GeoSLAM Desktop V3
On peut favoriser l’utilisation de surfaces planes dans le calcul de l’algorithme. Cette fonction sert à
l’enregistrement de très grands ensembles de données, à condition qu’il y ait une majorité de
surfaces planes tout au long du levé et au point de fermeture de la boucle.
Ensuite, l’usager doit indiquer au logiciel si, sur le terrain, il a pu fermer la boucle. Si cela est le cas, il
faut savoir que l’algorithme sera forcé de lier les points de départ et de fin. Cela permet d’éviter
certaines erreurs de dérive de l’IMU et permet un contrôle sous forme de « points doubles » comme
en levé traditionnel.
Et enfin, on peut jouer, comme pour les paramètres locaux, sur le seuil de convergence et la rigidité
globale.
Si le résultat initial ne convient pas, il est toujours possible de relancer un calcul en changeant ces
nombreux paramètres pour les adapter au mieux à l’environnement levé. Avec Geoslam Desktop V3,
les calculs sont illimités et gratuits, ce qui est un gros avantage sur le logiciel Zeb1 Uploader. Il est
aussi possible d’installer ce logiciel sur un ordinateur portable et de vérifier directement sur le terrain
(pas de connexion internet nécessaire, contrairement au Zeb1 Uploader) si le calcul fonctionne. Il
faut savoir que pour un scan de 30 minutes, le temps de calcul, d’environ 30 minutes, est
sensiblement le même pour les deux logiciels.
Pour le traitement du dessin, nous utilisons le logiciel PointCab qui permet de réaliser des coupes et
des plans à partir du fichier .las.
15
Figure 8 : Plan vu du dessus représentant le bureau de Castanet-Tolosan réalisé avec PointCab
Ensuite, nous importons les images résultant dans un logiciel de DAO, comme par exemple Autocad,
et nous digitalisons manuellement ce qui nous intéresse. Cette méthode, qui s’appelle aussi la
vectorisation, permet un tracé rapide de n’importe quel relevé. En ce qui concerne les plans
d’intérieur, la vectorisation peut être réalisée de façon automatique mais il faut faire attention à bien
contrôler tous les segments qui ont été créés. Ils doivent impérativement être reliés entre eux pour
construire des pièces fermées et ne doivent représentés que les éléments nécessaires au plan.
L’entreprise Géo Sud Ouest ne réalise principalement que des rendus en 2D (plans ou coupes) car
cela représente la majorité des demandes des clients. Le rendu 3D est que encore peu utilisé par les
architectes et les personnes publiques. Cela s’explique par une modélisation longue et des fichiers
d’échange très lourds.
1.5 Avantages et inconvénients
Dans un premier temps, on peut se demander quels sont les atouts d’un tel instrument ?
Pourquoi est-il annoncé comme une révolution sur le marché des scanners lasers portables ?
16
Les géomètres sont principalement attirés par sa rapidité d’exécution avec la promesse d’un levé
d’intérieur dix fois plus rapide qu’avec un distancemètre et un croquis ou qu’avec un scanner
statique. Il est aussi très facile d’utiliser cet appareil, même un utilisateur non initié à la topographie
ou aux techniques de levé traditionnel peut s’en servir. Il ne demande aucune compétence
particulière. Il est aussi facile de le manipuler grâce à sa légèreté et sa maniabilité qui permettent
même de scanner des zones difficiles d’accès comme des fonds de placards ou des combles. En plus
d’être simple d’utilisation sur le terrain, le traitement et la manipulation des résultats sont très
rapides. Les fichiers obtenus sont très légers (pour un levé de 30 minutes la taille du nuage de points
est de 0,7Go), il est aisé de créer des coupes ou encore des se déplacer dans le nuage.
Le ZEB-REVO à la capacité d’être monté sur plusieurs supports comme un véhicule ou un drone. Le
fait d’être modulable est aussi une qualité très intéressante pour les entreprises ayant ce type de
support.
On nous dit également sur la notice que le scanner a un indice de protection IP64, c’est-à-dire que
l’appareil est complètement protégé contre les poussières et les projections d’eau. Par contre, on ne
peut pas l’utiliser lorsqu’il y a plus de 85% d’humidité et que l’on se trouve en dessous des 0°C.
Il existe d’autres inconvénients non négligeables. L’un des principaux est l’absence totale de contrôle
sur le calcul. Qu’il soit réalisé avec Zeb1 Uploader ou avec GeoSLAM Desktop V3, le calcul n’est pas
directement visible par l’utilisateur. Certes, il peut l’influencer en jouant sur les paramètres du
logiciel Desktop V3, mais le résultat est incertain. Dans certaines conditions, le calcul ne peut pas être
corrigé et le levé est donc faux (sans que l’utilisateur ne sache pourquoi). Cela est souvent dû à une
erreur qui entache le protocole.
Dans des endroits homogènes, comme des couloirs ou des murs nus, l’appareil ne peut pas s’appuyer
sur les éléments de surfaces communs qui aident l’algorithme à retracer la trajectoire du levé. La
conséquence est donc une perte de précision sur la localisation du scanner qui se répercute sur le
résultat total. De plus, la centrale à inertie peut dériver lors de cheminements rectilignes trop grand.
Le résultat peut aussi souffrir d’imprécision due à une mauvaise détermination de la position de
l’appareil.
Au niveau des objets réfléchissants, comme des vitres ou des miroirs, peu de photons émis sur ce
genre de surfaces parviennent au récepteur de l’appareil. Ces objets vont seulement réfracter la
lumière et vont donc donner de mauvaises informations sur le faisceau. En effet, l’appareil calcule la
distance de l’objet qui se situe à l’opposé du miroir (comme par exemple, le mur d’en face), dans ce
cas-là le point sera représenté derrière le miroir à une distance égale entre le miroir et le mur qui lui
fait face.
Une difficulté minime est la visualisation des données au bureau. En effet, parfois dans le nuage de
points le dessinateur ne peut pas discerner un placard fermé ou un mur. Cela arrive quand le
dessinateur n’est pas allé sur le terrain ou qu’il ne souvient plus précisément des détails de
l’environnement.
17
1.6 La ZEB-CAM
L’entreprise Géo Sud Ouest a fait l’acquisition de la ZEB-CAM qui a été livrée durant mon
stage. Cette petite caméra discrète et légère de la marque GoPro est ajoutée sous la tête du ZEB-
REVO.
Figure 9 : Photographie du ZEB-REVO équipé de la ZEB-CAM – Source personnelle
Pendant le levé, elle va enregistrer une vidéo qui pourra être utilisée lors du traitement
informatique. Cette vidéo sera décomposée en images par le logiciel GeoSLAM Desktop V3.
Quand l’utilisateur va cliquer sur un point du nuage, l’image correspondante au même temps va
s’afficher et inversement. Cette opération est possible grâce à la connexion durant le levé entre la
caméra et le scan. Même si le dessinateur n’est pas allé sur le terrain ou s’il a été lui-même opérateur
mais qu’il ne se souvient pas de l’ensemble du levé, il pourra voir où se situe dans l’image un point
sélectionné.
18
Figure 10 : Viewer du nuage de points avec le logiciel Desktop V3 de GeoSLAM
Cependant, la capture d’image par GoPro ne permet pas de texturer le nuage de points, ce qui
rendrait le nuage de points encore plus lisible. Le dessinateur en aurait une utilisation plus facile et
rapide. Il faut aussi dire que le temps de calcul prenant en compte la vidéo est multiplié par deux.
C’est à l’utilisateur de choisir s’il souhaite effectuer le calcul avec la vidéo et, en cliquant sur un point,
voir son image associée ou calculer sans la vidéo et aller chercher la zone dans laquelle se trouve un
point directement dans la vidéo.
1.7 Comparaison avec d'autres scanners dynamiques
L’intérêt de Géo Sud Ouest porté sur le ZEB-REVO s’explique par la rapidité d’acquisition des
données avec cet appareil. Le but de l’achat de cet appareil était donc de réaliser principalement des
mesures en intérieur avec un rendu en 2D. L’autre solution aurait été d’acheter des scanners sur
chariots mais ces derniers sont peu pratiques dès lors qu’il y a présence d’escaliers ou de petites
pièces. Le comparatif portera donc sur des systèmes d’acquisition dynamiques portables à la main.
Ce domaine d’acquisition se développe très rapidement. De nouveaux constructeurs arrivent sur le
marché et propose des appareils toujours plus compacts et rapides comme par exemple l’entreprise
Kaarta avec son appareil Contour, le système Robin ou encore Microsoft qui, grâce à plusieurs
collaborations et rachats de start-ups, lance son sac à dos scanner laser : le UltraCam Panther.
Les caractéristiques techniques des appareils fournies par les constructeurs sont issues des mesures
réalisées dans des conditions parfaites. Elles sont certainement différentes de celles réalisées dans
des conditions réelles de travail quotidien. Les fournisseurs nous donne accès à :
- la précision relative du levé ;
- la précision absolue de position ;
- la résolution spatiale ;
- la portée des mesures ;
- la fréquence des mesures.
19
1.7.1 Comparaison avec le ZEB1
Etant donné que Géo Sud Ouest n’a pas le ZEB1 de GeoSLAM, la comparaison des deux
appareils se fera selon les notices.
Figure 11 : Composition du ZEB1, premier appareil de GeoSLAM – Source : 3D laser mapping
Déjà, la première différence est notable au niveau de la méthode de levé. Avec le ZEB1, il faut
balancer la tête de l’instrument de gauche à droite, avec le ZEB-REVO, l’appareil tourne
automatiquement suivant l’axe x. Ce dernier système est beaucoup plus confortable et le résultat
obtenu est un ensemble de points mieux répartis. Au niveau du poids total, le ZEB1 est légèrement
plus léger de 500g. En ce qui concerne la précision relative du levé, les deux appareils affichent les
mêmes résultats. Il en est de même pour les portées à respecter lors des observations.
Par contre, on observe une différence entre les deux sur la précision absolue de position. Sur le
modèle plus récent, le constructeur annonce une précision de la centrale inertielle de 3 à 30 cm au
bout de 10 minutes. Sur la notice du ZEB1, il est indiqué 3 à 40 cm au bout de 5 minutes. Nous
pouvons donc dire que l’essentiel des améliorations est apporté sur la qualité de la centrale
inertielle.
Caractéristiques ZEB1 ZEB-REVO
Poids 3.6kg 4.1kg
Précision relative 2-3cm 2-3cm
Portées Int : 30m – Ext : 15-20m Int : 30m – Ext : 15-20m
Précision absolue de précision 3-40cm pour 5min de levé 3-30cm pour 10min de levé
Tableau 1 : Principales caractéristiques des deux appareils de GeoSLAM
20
Comparaison sur les angles
Une autre différence observée est le champ de vision angulaire. Sur le ZEB-REVO, il est
indiqué : rotation de 270° autour de l’axe Z et de 360° autour d’un axe X. Sur le ZEB1, il est écrit :
rotation de 270° autour de l’axe Z et d’environ 150° (manuellement) autour de l’axe X. C’est pour
mesurer des points au sol et en hauteur que le scanner doit être balancé. Avec une vitesse de ligne
de 100 Hz sur l’axe Z, le ZEB-REVO produit 2,5 fois plus de lignes de balayage en une seconde autour
de l’axe Z que le ZEB1 (40Hz).
Résolution du ZEB-REVO
Le problème est que, sur la notice le ZEB-REVO a une résolution horizontale de 0,625° alors
que le ZEB1 a une résolution horizontale de 0,25°. On remarque que si on fait le rapport, on retrouve
le même coefficient que celui de la vitesse de ligne. On peut donc dire qu’avec le ZEB1 on obtiendrait
autant de points à l’horizontale dans un même laps de temps qu’avec le ZEB-REVO.
Résolution ZEB1 ZEB-REVO
Horizontale 0,25° soit 4,36x10-3 rad 0,625° soit 10,91x10-3 rad
Verticale 3,5° soit 61,09x10-3 rad 1,8° soit 31,42x10-3 rad Tableau 2 : Résolutions du ZEB1 et du ZEB-REVO
Avec le ZEB-REVO, en se plaçant à 1 mètre de l’objet à scanner,
entre deux points on a une résolution horizontale de 1,1cm et une
résolution verticale de 3,1cm.
Les fréquences données par le constructeur sont : 0,5Hz pour la rotation d’axe X et de 100Hz pour la
rotation d’axe Z. Ce qui nous donne un tour entier de la tête du scanner suivant l’axe X en 2 secondes
et un « aller-retour » du laser suivant l’axe Z en 1ms. Cette fréquence rapide permet à l’instrument
de multiplier le nombre de points sur une ligne horizontale, la résolution est donc augmentée.
432 points sont pris en une milliseconde sur une ligne horizontale, puis l’appareil tourne suivant l’axe
X de 1.8° et en 1ms, 432 autres points sont pris ainsi de suite pendant 2 secondes pour que la tête
fasse un tour entier suivant l’axe X. En 2 secondes, le scan aura pris 86400 points. Pour une meilleure
résolution, il suffit de se déplacer plus lentement.
Les comparaisons suivantes ont été réalisées avec des produits similaires vendus par les grands
constructeurs de scanners laser 3D.
Y
Z
Figure 12 : Résolution du ZEB-REVO
21
1.7.2 Comparaison avec le Faro Scanner Freestyle 3D
La portée du FARO Freestyle3D doit être comprise entre 50cm et 3m pour un volume de
pièce de maximum 8 m³. A 1m de l’objet à scanner, la précision indiquée par le constructeur est de
1mm. Pour une meilleure exploitation des données, il est capable de coloriser le nuage de points.
Figure 13 : Photographie de l’utilisation du Scanner Freestyle 3D de Faro – Source : faro.com
Cet appareil ne peut pas être utilisé pour faire un levé à l’extérieur car il lui faut très peu de lumière
pour bien fonctionner. Il peut donc seulement être utilisé pour des levés d’intérieur et pour des
petites pièces confinées. Il ne peut pas servir pour lever une maison entière par exemple mais il est
utile pour compléter des pièces difficiles ou non accessibles au scanner laser statique. Cet appareil ne
convient donc pas aux attentes de l’entreprise.
1.7.3 Comparaison avec le Leica Pegasus : Backpack
Ce scanner portable de la marque Leica est capable d’enregistrer près de 600 000 points par
seconde pour une portée allant jusqu’à 50m. Par contre, il est très lourd et pèse presque 13kg.
Figure 14 : Photographie de l’utilisation du Pegasus : Backpack de Leica – Source : leica-geosystems.us
L’avantage qu’il a sur le ZEB-REVO est qu’à l’extérieur il peut utiliser des mesures GNSS. Il prend
également des photographies qui lui permettent de coloriser le nuage de points. Sur la notice, il est
indiqué une précision de position de 5 à 50cm au bout de 10 minutes de levé. Au final, la précision
des points 3D est de +/-2 à 3cm. Cette solution n’a pas été retenue par l’entreprise Géo Sud Ouest
car la taille du sac à dos est un frein. Il est trop imposant et pour un intérieur, il aurait été compliqué
de relever des petits espaces peu accessibles aux personnes comme des placards ou des dessous
d’escalier. Cet appareil est également trop cher par rapport à l’appareil de GeoSLAM.
22
2. Tests et analyses
Un des principaux enjeux de mon travail de fin d’études est la réalisation d’une série de tests
afin de contrôler la qualité de l’appareil. Il est important pour l’entreprise de connaître les
circonstances dans lesquelles un levé a potentiellement le plus de chance de répondre aux attentes
des clients.
2.1 Réalisation de tests et enseignements
2.1.1 Vitesse de levé
Cette première partie vise tout d’abord à relever le bureau de l’entreprise Géo Sud Ouest à
Castanet-Tolosan. En effet, cela est plus facile de réaliser plusieurs levés pour comparaison sans avoir
à se déplacer : inutile d’utiliser une voiture du cabinet et demander l’avis d’un propriétaire.
La première expérience consiste, tout en respectant les conseils de levé décrits sur la notice de
l’appareil, à lever l’intérieur du bureau avec des vitesses de déplacement différentes. La
personnalisation et la description précise du mode opératoire final se feront au fur et à mesure de
tous les essais. La quantification des résultats s’effectuera sur des endroits précis de pans de mur
choisis auparavant sur l’ensemble des nuages obtenus. Nous allons mesurer l’épaisseur du trait
correspondant au mur. Les différentes épaisseurs représentent le bruit du scanner laser.
Figure 15 : Plans vus du dessus représentant le levé du bureau à trois vitesses différentes : lente, normale et rapide
La figure 15 représente les trois nuages de points vus du dessus. La pièce n’étant pas très grande, la
portée maximale réalisée est de 2m. Le bureau principal de l’agence de Castanet-Tolosan a été relevé
au ZEB-REVO avec plusieurs vitesses de déplacement. Le premier nuage a été relevé lentement (10
minutes), en faisant une pause régulièrement. On obtient donc une épaisseur moyenne sur
l’ensemble des surfaces des murs de 2cm. Le second nuage a été scanné avec une vitesse dite
« normale » (6 minutes), l’opérateur ne s’attarde pas sur des éléments et se déplace à son allure.
23
L’épaisseur moyenne obtenue est de 3,5cm. En ce qui concerne le dernier nuage, le levé a été très
rapide (2 minutes). On obtient des traits de murs plus épais que les autres, de l’ordre de 5cm.
On observe que la qualité de la digitalisation des murs dépend fortement de la vitesse avec laquelle
les scans sont pris. En marchant lentement le nombre de points sur le mur va augmenter, et avec un
nuage plus dense, la précision lors du tracé du trait de dessin est augmentée. Il faut donc adapter sa
vitesse de levé au rendu attendu.
2.1.2 Précision relative
La deuxième phase consiste à déterminer les écarts entre deux nuages de points obtenus
avec le GeoSLAM dans les mêmes conditions de levé. C’est ce que l’on appelle la précision relative,
on cherche l’écart entre deux points de différents nuages se trouvant au même endroit. La
quantification des résultats se fera sur des écarts observés sur l’ensemble des points des deux
nuages. Pour remplir cet objectif, on va comparer les deux nuages de points grâce au logiciel
CloudCompare. Par la suite, l’alignement des deux nuages est réalisé directement par la fonction
‘Finely registers already aligned identities’. Cette opération nous permettra d’extraire
automatiquement des écarts (moyenne, minimum et maximum) sur l’ensemble des points.
Préalablement à cette analyse, il faut que les différents nuages levés correspondent entre eux. Pour
cela, il faut nettoyer les nuages au maximum en supprimant les points qui ne sont pas communs,
comme par exemple les points reflétés dans le miroir ou les points sur des objets mobiles.
Malheureusement, cette approche est entachée d’incertitude, puisque les points sélectionnés ne
sont pas parfaitement situés au même endroit dans les deux nuages de points. Ceci est dû aux
mouvements de la tête du scanner qui font que les données lasers mobiles ne sont pas réparties
également. On peut donc dire que plus la densité des nuages de points est faible, plus la sélection de
points homologues est difficile.
Figure 16 : Superposition de deux nuages de points levés au ZEB-REVO
24
Les deux nuages utilisés ont été mesurés dans les bureaux de l’entreprise à Castanet-Tolosan dans
des conditions similaires et à vitesse normale. Après les avoir alignés automatiquement, le logiciel
CloudCompare nous permet de coloriser le résultat en fonction des écarts. Les écarts sont
représentés par un dégradé de couleur allant du bleu (écart inférieur à 2,5cm) au rouge (écart
supérieur à 17,5cm).
Figure 17 : Histogramme de la répartition des écarts en fonction de leur nombre
Sur le graphique correspondant aux écarts entre les deux nuages, on observe que plus de 15 millions
de distances ont été mesurées. Sur ces 15 millions de mesures, près de 14 millions d’écarts sont
inférieurs à 2,5cm soit environ 93% des distances. Le géomètre peut donc assurer une précision
relative de 2,5cm. Ce résultat est conforme à ce qui est indiqué sur la brochure du constructeur
GeoSLAM (relative accuracy : 2-3cm).
Pour les écarts qui sont supérieurs à 15cm, ils correspondent aux éléments scannés dans un nuage
mais pas dans l’autre. Ces points ne sont pas dus à un défaut de l’appareil et ils peuvent être
supprimés.
La moyenne de l’ensemble des écarts est égale à 1,4cm et peut être sensiblement réduite si les
points dont les écarts sont supérieurs à 15cm sont supprimés.
2.1.3 Techniques de levé
L’objectif de cette partie est d’identifier ou de contrôler toutes les actions réalisées pendant
le levé qui peuvent avoir de l’influence sur le résultat. L’ensemble de ces tests a pour but d’identifier
les conséquences des choix de levé et au final, de conclure sur le mode opératoire susceptible de
fonctionner le mieux.
25
Augmentation de la durée du scan
La durée maximum de levé conseillée par l’entreprise GeoSLAM est de 30 minutes. Cette
limitation est due à deux choses : la perte de précision sur le positionnement par la centrale inertielle
et la taille des fichiers. On rappelle que la centrale inertielle permet une précision sur le
positionnement qui varie de 3 à 30 cm pour une boucle d’une dizaine de minutes. En allant au-delà
d’une demi-heure, l’utilisateur prend le risque d’une trajectoire mal calculée. Nous allons considérer
le problème dans deux situations différentes : un environnement riche et un environnement pauvre.
A l’intérieur de l’environnement riche, la technologie GeoSLAM pourra s’appuyer sur les éléments de
surfaces et se raccrocher à elles pour garder une précision de positionnement correcte. A l’inverse, à
l’intérieur d’un environnement pauvre, la dérive de la centrale sera beaucoup plus importante et le
calcul des données sera faux.
Pour connaître la déviation de la centrale inertielle, on compare le plan d’un levé au ZEB-REVO au
levé topographique, sans prendre en compte les altitudes. Pour cela on utilise la fonction ‘Recalage
HELMERT’ de Covadis. On s’appuie sur trois angles de bâti bien distincts. On obtient un écart moyen
quadratique de 2cm mais sur un angle de bâtiment au milieu du cheminement on trouve un écart de
6cm. Donc au bout de trois quart d’heure de scan, la dérive du calcul de la trajectoire est de 6cm
dans des conditions de levé à l’intérieur et à une vitesse normale.
Si le levé se déroule en extérieur et que l’environnement est plus pauvre, la dérive peut être
augmentée. Ce point sera développé dans une prochaine partie.
Figure 18 : Interface de l’outil Covadis ‘Recalage Helmert’ à l’échelle 1
26
Figure 19 : Ecart sur un angle extérieur de bâtiment entre les mesures du ZEB-REVO et d’une station totale
L’autre limite est la taille du nuage de points. Passé une demi-heure, la taille du fichier se rapproche
de 1Go. Le calcul est rallongé, la vidéo prise par la ZEB-CAM est aussi plus lourde.
La solution est donc de réaliser plusieurs boucles, non seulement pour réduire le temps de calcul
mais aussi pour éviter la dérive de la centrale inertielle.
Ouverture des portes de placards et des rideaux en amont du levé
Le but de cette opération est d’éviter au ZEB-REVO de prendre des mesures sur des éléments
qui ne sont pas utiles au rendu. GeoSLAM demande à ses clients, avant même de commencer à
scanner, d’ouvrir tous les objets qui obstruent le passage ou les visées. On va éviter au maximum de
prendre des points sur des détails que le dessinateur ne va pas exploiter.
Dans la pratique, le géomètre n’ayant pas forcément le temps de visiter toutes les pièces avant de
commencer son travail, cette méthode n’est pas pratique. La décision a été prise de démarrer le scan
sans rien toucher. L’ouverture des rideaux pour voir les encadrements de fenêtre ou l’ouverture des
portes pour voir le mur au fond du placard se fera pendant le levé. La technique à entreprendre est
simple ; avant de relever un objet non souhaité dans le nuage, on se met dos à ce dernier, on ouvre
et on se retourne pour réaliser des mesures. Cette manipulation permet de gagner un temps
précieux.
Ecart de 6cm
27
Si, involontairement, des points sont pris sur les éléments en question, ça n’a aucune importance du
moment que cette erreur est réparée. Sur le résultat, on verra peut-être deux traits et le dessinateur
ira donc chercher les renseignements qu’il souhaite dans la vidéo prise par la ZEB-CAM.
Figure 20 : Eléments mobiles (bleu) et les éléments à ne pas dessiner (rouge)
Pour ce test, le bureau de Castanet-Tolosan a été levé. Nous allons étudier trois éléments qui ont été
déplacés pendant le levé : le rideau, la porte de placard, la porte d’entrée et les portes intérieures.
On observe que les portes intérieures étaient ouvertes tout au long du levé mais elles ont été
légèrement déplacées. Elles sont bien visibles et le dessinateur comprend ce qu’il dessine. Pour la
porte d’entrée, c’est légèrement différent, elle a été ouverte pendant le levé. Elle est représentée
par deux traits bien distincts mais moins clairs que les portes intérieures. Pour les rideaux, on
observe un trait ondulé avec un léger flou car les points ne sont pas pris sur des éléments durs. Le
dessinateur comprend directement que cela correspond à un rideau. Pour les portes coulissantes des
placards, leur distinction est plus difficile. Ils peuvent être confondus avec du mobilier comme des
étagères qui elles ne doivent pas apparaitre sur un plan d’intérieur. Dans ce cas là, le dessinateur fera
appel à la vidéo ou à la personne qui est allée sur le terrain.
Porte d’entrée
Rideau devant
un placard
Porte coulissante
d’un placard
Porte
intérieure
Etagère
(À ne pas dessiner)
28
Au final, le dessinateur doit être vigilant à la digitalisation et, en cas de doute, doit toujours vérifier
son travail.
Changement de pièce ou d’environnement
GeoSLAM recommande aux clients de passer en marche arrière toutes les portes. En effet,
pour pouvoir « relier » les pièces entre elles, on a besoin de voir les éléments de surface de la
première pièce. Une fois la porte passée, l’utilisateur doit se retourner et continuer à lever. Ainsi
pour déterminer la trajectoire du cheminement, le calculateur prendra en compte à la fois les
données de la centrale inertielle mais aussi celles des éléments de surface.
En réalité, à l‘intérieur d’un bâtiment, les portes peuvent être passées en avant. Les éléments de la
nouvelle pièce peuvent être vus par l’appareil avant de passer la porte. Ces éléments doivent bien
sûr se trouver à une distance inférieure à la portée maximale.
Quand le levé oblige de changer d’environnement, en somme de passer de l’intérieur d’un bâtiment
vers l’extérieur, il est fortement conseillé de passer la porte en marche arrière. Cette manipulation
sert de contrôle permettant d’obtenir un extérieur cohérent avec l’intérieur.
Figure 21 : Sens de levé des différents types de porte
Sens de levé
Porte 1
Sens de levé
Porte 2
29
Dans le cas de la porte 1 : la porte d’entrée, l’opérateur devra se retourner pour scanner des
éléments de surface avant de changer d’environnement. S’il souhaite rentrer, il peut passer
simplement la porte en marche avant.
En ce qui concerne la porte 2 : une porte intérieure, les éléments de la nouvelle pièce se trouvent à
une distance inférieure à la portée maximale. L’opérateur n’est donc pas obligé de réaliser un demi
tour avant de passer la porte.
Méthode de levé dans un couloir
Les couloirs sont des pièces rectilignes et souvent vides. Or pour que l’appareil fonctionne
correctement, il faut qu’il puisse reconnaître des formes. Lors des premiers calculs dans les couloirs,
le fichier qui caractérise les conditions de calcul indique des difficultés dans ces passages. La
première solution envisagée était très simple, il suffit de détecter ces endroits ‘pauvres’ et on y
ajoute des éléments de surface avec le placement de chaises ou de cartons ou, si possible, la mesure
de seuil de pièce.
Figure 22 : Représentation des conditions de levé dans un même couloir sans élément de surface (haut) et avec éléments de surface (bas)
Cette solution reste limitée car elle ne permet pas de régler sensiblement le problème. On a donc
envisagé de parcourir les couloirs en arrière. On peut penser qu’en utilisant cette technique, les
éléments de surface restent dans le champ de vision de l’appareil à chaque instant. On peut
concevoir que le calculateur éprouvera ainsi moins de difficultés à créer des points.
30
Figure 23 : Résultat du levé d’un couloir en marche arrière
Mais cette technique ne marche pas, la technologie SLAM ne fonctionne pas et renvoie un nuage de
points complètement faux et inexploitable. En conclusion, il faut être très précautionneux dans les
couloirs et ne pas hésiter à les scanner plusieurs fois.
Geste brusque
Lors d’un levé, il est possible que l’opérateur trébuche ou commette un geste violent. Si on
isole les données à cet instant précis, le résultat obtenu est un ensemble de points mal répartis, très
espacés et parfois faux. Le fichier nommé ‘cond.ply’, renvoyé par le calculateur de GeoSLAM, nous
indique que les points en question ont été difficilement calculés. En effet, certaines données lasers
qui ont été émises n’ont pas eu le temps d’être reflétées. De plus, on peut penser que les
composants de la centrale inertielle ont mal réagi face à la vitesse instantanée du geste.
La solution est de revenir en arrière pour
reprendre des éléments de surface communs
levés avant le geste brusque. Le calculateur
arrivera à se repérer dans son environnement et
la suite du levé ne sera pas entachée de mesures
fausses. Le nuage de points obtenu est donc celui
recherché.
Figure 24 : Nuage de points d’une salle de classe Figure 25 : Zoom sur les points pris durant le geste brusque
31
La majorité des points en rouge provient du mouvement brusque. Ils peuvent être supprimés avant
de commencer le dessin mais ils ne sont pas trop gênants car très peu nombreux. De plus, le reste du
dessin est resté cohérent il est donc utilisable.
Vérification de la portée
Ce test vise la vérification de la portée dans différentes conditions plutôt qu’une technique
spéciale de levé. Les deux environnements étudiés sont l’intérieur d’un bâtiment et son extérieur.
Sur la notice, le constructeur indique une portée de 30m dans une pièce fermée, avec une réflectivité
des objets de 90%. Le test a été réalisé face à un mur et on obtient les résultats suivants :
Distance au mur (m) Résolution (cm)
5 1
10,5 2,5
21 (maximum) 10 Tableau 3 : Résolution du ZEB-REVO en intérieur
Pour l’extérieur, le constructeur déclare une portée maximale de 15 à 20m pour des conditions
favorables (luminosité faible). Le test a été réalisé en marchant à une allure standard, à une distance
de 5m devant une façade et on obtient :
Hauteur sur la façade (m) Résolution (cm)
3,5 1
7,5 2,5
11 (maximum) 7 Tableau 4 : Résolution du ZEB-REVO en extérieur
Figure 26 : Seuils de résolution sur la façade d’un immeuble
A l’intérieur, l’opérateur doit respecter une portée d’environ 20m s’il ne peut pas s’approcher de
l’objet à lever. Lors d’un levé en extérieur, dans des conditions de levé ensoleillées, l’opérateur ne
doit pas se trouver à plus de 11m d’un élément à mesurer. Pour tous les objets à relever qui se
situent à une distance proche de la portée maximale, l’utilisateur devra marquer un temps de pause
pour permettre au ZEB-REVO de prendre suffisamment de points, donc d’augmenter la résolution
afin de bien les modéliser.
32
Différents types de cheminement
Selon l’état du terrain à lever, l’opérateur doit choisir au préalable la trajectoire qu’il prendra
pour pouvoir mesurer la totalité de l’environnement. Il existe trois types de cheminements
possibles :
- les cheminements en boucle ;
- les cheminements linéaires ;
- les cheminements croisés.
Le cheminement en boucle consiste à réaliser le tour de l’ensemble à lever. De manière générale, on
commence d’un point, on lève les objets une seule fois en suivant le sens et on revient au point de
départ. Cette méthode fonctionne très bien et c’est celle qui permet de minimiser la dérive de la
centrale inertielle. On a donc une précision de positionnement très bonne.
Figure 27 : Trajectoire en boucle
Les cheminements linéaires sont donc employés lorsque le géomètre n’a pas le choix, comme par
exemple le levé d’un corps de rue. Dans ce cas, là on va démarrer d’un point, longer un côté de la
route, faire demi-tour et mesurer l’autre côté pour revenir au point de départ. Mais cette méthode
est très souvent entachée d’une dérive de la centrale inertielle même si le temps de levé est court.
33
Figure 28 : Trajectoire linéaire
Il faut éviter au maximum cette méthode ou bien, si l’on n’a pas le choix, réaliser deux petits levés
qui seront assemblés, pour minimiser la dérive de la centrale inertielle.
Les cheminements croisés concernent les travaux où deux zones à scanner sont reliées par une seule
passerelle ou par un chemin. Si l’on cherche à tout relever l’ensemble en un seul scan, le calcul sera
mauvais, c’est-à-dire on aura un problème de dérive suite au passage de cet espace.
Figure 29 : Trajectoire en 8 ou croisée
34
La solution est, ici aussi, de réaliser deux levés distincts qui auront comme partie commune le
passage en question. Ils seront recalés ensemble grâce à cet élément.
2.2 Contrôle
Le contrôle est une pratique obligatoire que doit réaliser le géomètre. Il s’applique à tous
types de travaux. On doit donc contrôler tous les levés au GeoSLAM. La technologie n’étant pas
infaillible, il faut la vérifier. Le protocole qui a été mis en place est le suivant : il faut prendre la peine
de relever une deuxième fois l’environnement au ZEB-REVO, si l’opérateur a le temps. Pour cela et
dans le meilleur des cas, la seconde boucle sera parcourue dans le sens inverse à la première et
même avec un point de départ différent. Cela permettra de vérifier la cohérence du résultat des deux
scans et le dessinateur pourra confirmer, en utilisant les deux scans, si ce qu’il trace est bien
conforme. Si l’une des sessions venait à être fausse, la deuxième sert de « roue de secours » et évite
à un employé de retourner sur le terrain et donc de perdre un temps précieux. Un autre avantage est
le fait que les deux scans soient complémentaires, si le levé d’un élément a été omis dans l’un des
scans, il ne le sera sûrement pas d’un autre point de vue. Le deuxième contrôle que l’on peut
réaliser, et qui doit être fait à chaque fois que le ZEB-REVO est utilisé, est de prendre des points de
contrôle par la méthode traditionnelle. Ce contrôle se fera sur des éléments bien précis comme par
exemple des angles de bâtiment (intérieurs ou extérieurs) répartis sur tout le chantier. Ces points
mesurés à la station totale permettront de détecter une erreur dans le levé comme par exemple la
dérive de la centrale inertielle.
Figure 30 : Superposition du scan sur un levé à la station totale pour la détermination de la dérive
Zone au milieu
Zone de départ
Zone de fin
35
Ce levé a été réalisé dans le but de vendre des appartements qui sont en location. Ici, le levé au ZEB-
REVO vient en complément du levé topographique, notamment pour les angles de murs qui ne
peuvent pas être tous vus de la station totale.
Le but est de vérifier si le nuage de point ne souffre pas d’imprécision. Le plan du nuage de points a
été recalé sur les points topographiques grâce au recalage Helmert. Voici les écarts obtenus :
Figure 31 : Zoom sur le début du levé Figure 32 : Zoom sur la fin du levé
On remarque que les angles des bâtiments au début et à la fin du levé se superposent parfaitement
entre les deux types de mesure. Le problème se situe plus au milieu du linéaire.
Figure 33 : Zoom au milieu du levé
36
Le résultat est de très mauvaise qualité. Entre le levé à la station totale et celui au ZEB-REVO, il y a
des écarts de 15cm. Cet écart n’étant pas acceptable, on ne pourra pas utiliser les données du scan.
Le contrôle à la station totale a donc permis de discerner le disfonctionnement du scanner. Si ce
contrôle n’avait pas été réalisé, le géomètre aurait probablement rendu des plans faux au client.
2.3 Nettoyage du nuage de points
Le nettoyage du nuage est une étape importante du rendu. En effet, il est possible que le
nuage soit imparfait, qu’il présente du bruit ou un ensemble de points que l’on ne souhaite pas
utiliser pour le dessin. Plusieurs logiciels permettent de réaliser cette opération (Scene de Faro,
CloudCompare...). C’est le logiciel ReCap d’Autodesk qui est utilisé. Il permet par sélection de trois
points dans le nuage de créer un plan au-dessus ou en-dessous duquel les points vont être
supprimés. Ensuite, il suffit de tracer l’emprise sur les points à supprimer. Les données sélectionnées
sont ajoutées dans un calque qui peut être rendu invisible. Cela permet de supprimer des objets fixes
inutiles au dessin (comme du mobilier) mais aussi tous les points pris sur des éléments mobiles
(comme des personnes). C’est une solution facile, rapide et très efficace.
Prenons l’exemple d’un levé en intérieur où l’on souhaite supprimer les points pris sur une chaise.
La première étape consiste à sélectionner un plan de référence que l’on peut délimiter à une emprise
et en profondeur.
Figure 34 : Sélection du plan
37
Ensuite, on créer l’emprise de la chaise par un polygone.
Figure 35 : Sélection des objets par un polygone d’emprise
Tous les points qui se trouvent dans l’emprise du polygone et au-dessus du sol seront placés dans un
calque puis rendu invisible. Le résultat est le suivant :
Figure 36 : Nuage de points avec la chaise supprimée
38
Dans la majorité des cas, les points relevés sur des éléments mobiles n’ont aucune incidence sur le
calcul du nuage de points. Mais si l’on se trouve dans une situation d’environnement « pauvre », il
est préférable d’éviter ces éléments qui peuvent être utilisés comme des éléments de surfaces et
donc inclure des erreurs dans le calcul.
Alors, les résultats obtenus avec l’appareil de GeoSLAM ont un très gros inconvénient. L’ensemble
des données se retrouve dans un seul et même nuage qui se trouve être un seul bloc. Au contraire,
les nuages des scanners lasers statiques correspondent à une station. Le nettoyage est accompli
nuage par nuage. Il est beaucoup plus aisé de visualiser à l’intérieur d’un petit jeu de données que
d’un grand.
Nous pouvons prendre l’exemple des données reflétées par la surface d’un miroir. En effet, ce sont
des éléments difficiles à repérer et donc à effacer. La direction de la mesure est bonne mais la
distance est mesurée sur le mur opposé au miroir. Le point se retrouve donc dans la pièce se situant
à l’arrière du miroir. Dans le cas d’un relevé au scanner laser statique, il est aisé d’isoler le nuage
correspondant à la station faite devant la surface réfléchissante et ainsi de supprimer les points faux,
alors que dans le cas d’un relevé avec le ZEB-REVO, cet isolement est impossible du fait du nuage en
un seul bloc. Le risque est alors que les murs « réfléchis » soient confondu avec une autre pièce. Pour
éviter ce genre d’interprétation, la solution est de recouvrir les miroirs d’un drap. Sur le terrain, il
faut donc passer au préalable dans les pièces pour identifier tous les miroirs. Cette opération est
toutefois fastidieuse à entreprendre.
2.4 Mode opératoire
Avant de commencer tout scan avec l’appareil de GeoSLAM, il est impératif de toujours avoir
à l’esprit qu’un contrôle avec une technique traditionnelle est obligatoire. On ne peut pas aller sur le
terrain avec comme seul appareil le ZEB-REVO. L’utilisateur pourra, s’il a du temps, réaliser au moins
une deuxième session.
Après les tests réalisés, un mode opératoire se dégage. Ce mode opératoire préconisé peut être mis
en place pour la majorité des missions. Il faut savoir qu’il n’est pas infaillible. Parfois certaines dérives
peuvent intervenir mais si les contrôles ont bien été effectués, il n’est pas nécessaire de repartir sur
le terrain pour réaliser de nouvelles sessions. De plus, les options proposées par le logiciel Desktop
V3 de GeoSLAM permettent de rectifier certains calculs en fonction du type de levé qui a été
entrepris.
En récapitulatif, pour un levé bien exécuté, il faut prendre le temps de s’attarder sur les détails ou les
éléments à lever. Ensuite, il faut réaliser les plus petites sessions possibles pour limiter la dérive de la
centrale inertielle et avoir une bonne précision de localisation dans l’environnement. Les éléments
qui gênent la mesure des surfaces à relever ne sont pas obligatoirement déplacés avant de
commencer. La tête du scanner doit être dirigée à l’opposé de l’objet déplacé. Il faut aussi se
retourner lorsque l’on passe une porte pour aller vers un extérieur ou une grande pièce vide. En
effet, pour contrôler les données de la centrale inertielle, le calculateur a besoin également des
données des éléments de surface.
Si le géomètre trébuche ou commet un geste brusque avec la tête du ZEB-REVO, il peut marquer un
temps de pose et revenir scanner à l’endroit où la vitesse de levé a soudainement augmenté. Le levé
39
peut, à ce moment là, continuer car l’appareil ajustera tout seul les données du laser et de la centrale
inertielle en se rattrapant aux éléments précédemment levés.
A propos de la portée, l’utilisateur devra se tenir à une certaine distance des objets à scanner en
fonction des conditions dans lesquelles il se trouve. Suite à de nombreux tests en intérieur et en
extérieur, pour avoir un nuage de points cohérent en extérieur l’objet ne doit pas se trouver à plus
de 11m de la tête du scanner. A l’intérieur, l’appareil peut mesurer des points jusqu’à 21m.
Dans des endroits pauvres comme peuvent l’être les couloirs, l’utilisateur devra mettre des objets
pour aider à la reconnaissance de surfaces communes. La technologie GeoSLAM fonctionne mieux
lorsque le levé comprend des angles et des objets. Ceci dit, elle aura toujours un peu de mal à
calculer ces points en 3D car le couloir reste un espace étroit et linéaire.
Pour les endroits linéaires en extérieur, il est préférable que l’opérateur réalise plusieurs petites
sessions de scan pour limiter la dérive de l’appareil. Dans le meilleur des cas, il réalisera des boucles
circulaires en évitant de revenir sur un lieu où des éléments ont déjà été scannés. Si l’opérateur n’a
pas le choix et qu’il doit forcément repasser par un endroit étroit ou non (par exemple passerelle ou
linéaire routier) pour relier deux grandes zones, il est préférable de réaliser deux scans distincts qui
seront par la suite assemblés grâce à des points en commun.
2.5 Comparaison avec les mesures d’un scanner statique : le Faro
Focus X330
Une fois que l’on a déterminé le meilleur mode opératoire pour pouvoir scanner différent types
d’environnement, on pourra comparer les résultats obtenus avec ceux de l’autre scanner laser de
l’entreprise : le Focus X330 de Faro. Le but de cette partie est d’étudier les différences entre les deux
appareils et de déterminer les missions pour lesquelles le ZEB-REVO peut remplacer le scanner
statique.
2.5.1 Etude sur les précisions
Pour commencer, il faut savoir que le Faro Focus X330 peut atteindre une précision maximale
(dans des conditions optimales) de +/-2mm. On rappelle alors que la précision maximale atteinte
avec le ZEB-REVO de GeoSLAM est de +/-1cm. Le Focus X330 étant un scanner laser statique, chaque
station a son propre nuage de points. Une autre différence importante est la portée. Là où le scanner
mobile ne peut dépasser une vingtaine de mètres maximum, le scanner statique peut lui atteindre
des points à plus de 300m. Leur utilisation est donc très différente et chacun de ces appareils est
utile pour des travaux confiés au géomètre.
Tout au long de mon travail de fin d’études, j’ai pu utiliser à plusieurs reprises sur un même chantier
les deux appareils. Je vais vous présenter ces différentes missions et comparer les deux appareils à
plusieurs niveaux.
Le premier domaine d’étude est celui des levés architecturaux. Dans cette section, nous allons
développer trois travaux du géomètre. Le premier consiste au relevé intérieur et extérieur de la
Basilique Saint-Sernin de Toulouse pour la mairie. Le rendu final doit se présenter sous forme de
coupes, de plans et d’élévations sur lesquels les architectes vont travailler pour des rénovations,
comme la reprise des façades extérieures, l’aménagement des pièces ou la vérification de l’emprise
40
de la crypte. Les basiliques sont des édifices très grands. Les plus hauts éléments, comme la coupole
ou les voutes centrales, se situent à près de 28m de haut. La portée du ZEB-REVO est donc
insuffisante pour pouvoir mesurer des points à ce niveau. Mais, un autre problème intervient,
l’appareil de GeoSLAM ne prend pas de photographie. Le dessin est donc plus compliqué car on ne
peut pas insérer les orthophotographies directement sur les coupes. Pour finir, les détails ou
moulures sont mesurés finement au scanner statique tandis qu’avec le scanner mobile c’est
impossible. On observe la présence d’un bruit trop important pour discerner les détails.
Le deuxième travail concerne les relevés de façade. Précédemment, nous avons vu que l’on peut
obtenir une résolution de 2,5cm jusqu’au 2ème étage d’un immeuble avec le scanner mobile. Outre le
fait que la portée soit limitée à 11m en extérieur, la résolution du nuage n’est pas suffisante pour
dessiner des détails. Alors que le Focus X330 effectue des mesures à longues distances et permet de
coloriser le nuage grâce à ses photographies.
La dernière comparaison s’est faite sur des plans d’intérieurs pour des travaux de rénovation. Dans
ce cas là, c’est la précision du scanner mobile qui ne convient pas. Le client pour ce type de demande
veut une précision d’un centimètre que l’appareil de GeoSLAM ne saurait offrir même dans les
meilleures conditions.
En conclusion, pour les travaux d’architecture en général, il n’est pas recommandé d’utiliser le ZEB-
REVO. Il ne répond à aucune demande sur l’ensemble des chantiers.
La deuxième mission du géomètre étudiée concerne les relevés d’intérieur. Pour cela, nous allons
comparer les nuages d’un levé d’une école. Le rendu se fera sous forme de plan. Nous allons donc
vérifier la qualité du levé au scan mobile par rapport au scanner statique.
Figure 37 : Superposition du nuage levé au scanner mobile avec un nuage levé au scanner statique
Zoom 1
Zoom 2
41
Le plan du nuage obtenu avec le ZEB-REVO a été superposé à la vectorisation du Focus X330. Nous
allons mettre en évidence les plus gros écarts entre les deux scanners.
Figure 38 : Zoom 1, écart intérieur max. à l’extrémité Sud Figure 39 : Zoom 2, écart intérieur max. à l’extrémité Est
Ces plus gros écarts ont été observés aux deux extrémités de l’école. Sur le reste du levé, les écarts
sont inférieurs à 3cm. Cette différence entre les deux appareils est acceptable pour réaliser des
relevés de surfaces. Dans ce cas là, le ZEB-REVO répond aux attentes et peut donc être utilisé.
Enfin, on étudiera l’utilisation du ZEB-REVO pour des travaux fonciers. Cela concerne notamment la
mise en copropriété d’immeuble.
L’entreprise Géo Sud Ouest a remporté un marché public de Toulouse Métropole Habitat qui consiste
à relever des logements sociaux en location. Ces appartements seront mis en vente sous forme de
copropriétés. La plupart du temps ces appartements sont relevés en mode traditionnel. C’est-à-dire
que l’opérateur utilise sur le terrain un croquis et prend des mesures au distancemètre. Avec cette
technique, on peut s’attendre à une précision de 2 à 3cm. Le rendu se présente sous forme de plans
de vente avec indication des surfaces. Ce travail correspond exactement aux capacités du ZEB-REVO.
Cet appareil répond parfaitement à cette demande. Un autre test concluant a été réalisé sur la
création d’une division en volumes. L’appareil de GeoSLAM peut aussi être utilisé pour réaliser des
missions foncières.
2.5.2 Rendement financier
Le rendement se calcule en combinant à la fois le prix d’achat des instruments et des logiciels
propres de traitement, sur le temps passé en moyenne sur le terrain ainsi que le traitement des
données au bureau.
Pour commencer, nous allons comparer le prix des appareils seuls. La société Géo Sud Ouest a
déboursé près de 30 000€ pour le ZEB-REVO et 45 000€ pour le Focus X330. Les logiciels associés
sont respectivement le GeoSLAM Desktop V3 qui coûte 13 000€ et Scene qui vaut 9 000€. Au niveau
du prix directement payé au constructeur le ZEB-REVO est légèrement moins cher.
42
Marque GeoSLAM FARO
Appareil ZEB-REVO : 30 000€ Focus X330 : 45 000€
Logiciel Desktop V3 : 13 000€ Scene : 9 000€
Total 43 000€ 54 000€
Tableau 5 : Comparaison des prix des deux scanners
Maintenant, on va s’intéresser au temps passé sur le terrain. En moyenne, un opérateur avec un
scanner statique va passer dix fois plus de temps sur le terrain qu’un opérateur équipé du ZEB-REVO.
Avec un scanner statique, l’utilisateur prend le temps de mettre en station l’appareil et surtout de
cheminer entre les différentes pièces. Par exemple pour le levé d’une école d’une surface de 2
200m², l’opérateur scannera en 2h avec l’appareil de GeoSLAM et en 20h avec le Faro Focus X330.
Au bureau, le traitement des données du scanner statique est plus long que pour le scanner mobile.
Cela est dû au recalage des nuages et aux nombres de points pris par le Faro qui augmentent donc la
taille des fichiers. Pour une même surface, le calcul et le traitement des données sont, en moyenne,
trois fois plus rapides en utilisant le ZEB-REVO.
Le rendement est donc plus favorable lors de l’utilisation du ZEB-REVO. Cet appareil peut donc
remplacer un laser scanner statique pour toutes les missions, indiquées précédemment, où il remplit
les attentes au niveau de la précision.
Nous venons de voir les cas dans lesquels le ZEB-REVO pouvait remplacer un scanner statique, la
suite présente les différents types de missions pouvant être accomplies par le scanner laser mobile
de GeoSLAM.
43
3. Nouvelles applications
Cette dernière partie décrit le développement, au sein de l’entreprise Géo Sud Ouest, de
l’utilisation du ZEB-REVO pour des activités pour lesquelles le scanner n’a pas été exploité ou très
peu.
3.1 Comparaison entre un levé en extérieur et en intérieur
Le relevé de surfaces intérieures est la principale utilisation faite de cet appareil au sein du
cabinet Géo Sud Ouest. Mais l’objectif final est aussi la capacité pour l’entreprise de se servir de cet
appareil pour des missions à l’extérieur. C’est pour cela que nous allons étudier les performances
d’un tel instrument à l’extérieur.
Trois tests portant sur le mode opératoire ont été appliqués. Le premier consiste à scanner une scène
extérieure en partant d’un intérieur, le deuxième : à scanner le même extérieur en passant par un
intérieur et le dernier à scanner seulement l’extérieur.
Pour des conditions et un temps de levé identiques dans les deux premiers cas, la différence
moyenne entre les deux nuages de points est de moins de 2cm. On peut donc dire que si l’on passe
de l’extérieur à l’intérieur, ou l’inverse, cette action n’a aucun impact sur la précision du levé. On
rappelle que pour cela, il faut respecter le sens de passage des portes : en arrière lorsque l’on change
d’environnement. C’est le moment le plus important du levé, l’opérateur doit être concentré et avisé
pour éviter toute dérive lors du calcul.
Lorsque l’on réalise un levé exclusivement en extérieur, le mode opératoire ne change pas par
rapport à un scan à l’intérieur. La seule chose à prendre en compte est la portée maximale à
respecter ce qui implique que l’opérateur doit s’approcher des éléments à lever. Certes des
conditions avantageuses permettent d’augmenter la portée maximale comme une luminosité faible
mais il est conseillé de ne pas dépasser les 11m de portée. Le bruit de l’appareil sur les murs
extérieurs levés à une vitesse de marche normale est de 4cm. Or, lors du même test, on obtient un
bruit moyen de 3,5cm en intérieur.
Figure 40 : Levé commencé à l’extérieur passant dans un intérieur
44
On peut indiquer que, dans n’importe quel environnement, la précision de l’appareil est quasiment
constante. Les deux points à retenir sont le fait d’être prudent lorsque l’environnement du ZEB-REVO
est modifié et être attentif à la portée maximale.
3.2 Applications à développer au sein de l’entreprise
Cet appareil a un très fort potentiel en ce qui concerne des travaux bien spécifiques. Ces
missions qui pourront être achevées avec un ZEB-REVO sont des potentiels pour répondre à de
nouveaux marchés. Cet appareil est un atout majeur pour l’entreprise. Il lui permettra de développer
sa clientèle et son champ d’activité.
3.2.1 Levé de piste
Géo Sud Ouest a gagné des marchés visant à relever des pistes d’éoliennes. Ces pistes se
trouvent en forêt et les travaux visent à les élargir. L’objectif est de mesurer des points sur la piste
(milieu et bords de piste) mais aussi tout autour comme par exemple les fossés, les talus et les arbres
de la forêt aux alentours.
C’est un travail plutôt difficile à accomplir avec le ZEB-REVO. En effet, les pistes sont des relevés
linéaires et la dérive de la centrale inertielle lors de ce type de levé est importante. De plus, lorsque
l’on se trouve sur le chemin, il n’y a que très peu d’éléments de surface par lequel le calculateur peut
s’accrocher.
Figure 41 : Dérive de la centrale inertielle provoquant un écart de position
Pour un levé de 30 minutes, 1600m aller-retour ont été parcourus et la dérive sur la précision de
positionnement est de 13m. Il faut donc réaliser des scans de courte durée de l’ordre de 5 minutes.
Ainsi l’opérateur parcourra 150m par 150m la piste. Pour relier, l’ensemble de ces scans entre eux
des points communs seront scannés (en fin et en début de chaque scan).
45
Un autre problème intervient, étant donné que l’appareil de GeoSLAM ne recale aucune
photographie sur le nuage de points, il est parfois difficile de connaître les bords du chemin. Pour
tous les endroits où il y a la présence d’ornières sur le chemin cela ne pose pas de problème. A partir
du moment où le chemin est plat, il est plus difficile de percevoir ses limites.
Comme le rendu doit contenir des altitudes, il faut que l’appareil puisse prendre des points sur le
terrain naturel. Or aux abords des chemins, il y a souvent la présence d’herbes plus ou moins hautes
qui empêchent de mesurer des points à même le sol. Cela pose un problème pour le futur projet
d’élargissement des pistes. Cette mission paraît donc difficile à entreprendre avec un tel scanner
mobile. Mais cette technique est beaucoup plus rapide à mettre en place qu’avec une station totale
avec laquelle il faut cheminer longtemps et où les mises en station se multiplient.
Donc en conclusion, si les conditions sont réunies, c’est-à dire chemin bien démarqué et végétation
rase, le ZEB-REVO peut être utilisé pour gagner un temps précieux. Pour toutes les autres parties du
chemin où les conditions sont moins propices, le cabinet devra utiliser la station totale. Elle
permettra aussi de réaliser un contrôle sur les mesures prises au scanner.
3.2.2 Levé forestier
Le constructeur GeoSLAM révèle que sa technologie est très performante dans les bois et les
forêts. En effet, n’utilisant aucune donnée GNSS, cet appareil a un avantage certain lorsqu’il s’agit de
relever une situation dans ce contexte. Cette information est donc à vérifier et à exploiter si elle
s’avère correcte.
Pour le moment, l’entreprise Géo Sud Ouest ne répond à aucun marché concernant des relevés
forestiers, elle travaille seulement sur des parcs, sur des barrages et des pistes de forêt où des tests
sur le levé de nombreux arbres pourront être menés.
La détection de tronc d’arbre par le ZEB-REVO fonctionne parfaitement. Les troncs d’arbres étant
fixes, ils sont aussi bien définis que les bâtiments. La forme circulaire des arbres est déterminée
comme un élément de surface. Ils sont pris en compte dans le calcul du nuage de points.
Les bois ou forêts sont des environnements très « riches » et le scanner laser mobile est une bonne
solution pour les lever. Car mise à part l’utilisation d’un scanner mobile, le temps pris sur le terrain
avec un scanner laser statique ou une station totale est trop long. De plus, la détermination du
centre de l’arbre ainsi que de son diamètre n’est pas précise. Les distances de décalages sont faites
au mètre et rentrées sur le carnet de terrain.
La précision d’un tel levé au scanner mobile est de l’ordre de +/-2cm tandis qu’avec l’utilisation d’une
station totale la précision atteint les +/-5cm.
En ce qui concerne le rendu, tout dépend de la demande du client. Un plan peut être réalisé afin de
déterminer précisément la position de chaque arbre ainsi que d’indiquer leur diamètre. Un problème
se pose : tous les arbres ne sont pas forcément droits.
46
Figure 42 : Résultat d’un levé de trois arbres
Lors de la numérisation, le dessinateur fera attention à déterminer l’emprise exacte au sol de l’arbre.
Celle-ci est facilement déterminable. Soit le terrain est plat, on réalise alors un plan au dessus du sol,
soit le terrain est en pente, on va alors le dessiner à l’endroit où la résolution est la meilleure. En
effet, le nombre de points sur un tronc est maximal lorsque l’appareil est le plus proche. On observe
deux cercles représentant la base et le haut du tronc (hauteur maximale à laquelle les points ont été
mesurés). Sur le plan non-vectorisé, la base du tronc est parfaitement visible, au contraire le reste et
le haut du tronc sont flous. La majorité du temps, le périmètre du tronc est le plus large au pied de
l’arbre. Si le dessinateur hésite, cette manipulation est utilisée comme contrôle.
Figure 43 : Plan du nuage de points d’un parc contenant une quinzaine d’arbres
47
Le dernier point abordé ici est la détermination du terrain naturel. Si le client le demande
expressément, les altitudes doivent être indiquées. Dans la majorité des forêts, on trouve sous les
arbres très peu de végétation car elle ne reçoit que très peu de lumière. Ce qui permet au scanner de
pouvoir visualiser la majorité du terrain naturel. Si le sol est très végétalisé, le ZEB-REVO ne pourra
mesurer aucun point sur le terrain naturel. Il faudra mettre en station l’appareil pour prendre des
points de niveau et de contrôle. Préalablement à l’intervention, il est indispensable de demander
l’état du terrain au client.
Le ZEB-REVO est un appareil parfaitement adapté aux milieux forestiers. Le fait qu’il ne soit pas
équipé d’un récepteur GNSS n’est pas un inconvénient. Il y a très peu de dérive grâce à la présence
de nombreux éléments de surface et le temps de levé ainsi que celui de digitalisation est très rapide
par rapport aux méthodes de mesures traditionnelles.
3.2.3 Plan de masse
Le plan de masse est un plan d’un ensemble immobilier. Il permet de situer les principaux
éléments sur lesquels porte le marché. Géo Sud Ouest réalise de nombreux plans de masse. Ils
accompagnent par exemple tous les dossiers présentés à Habitat Toulouse Métropole.
Techniquement, il faut avoir conscience de ce qui peut être discerné dans le nuage de points du ZEB-
REVO. Tous les petits détails inférieurs à la précision de l’appareil, soit 4cm, ne seront pas visibles soit
en hauteur, soit en dimension. Parmi ces éléments, toutes les plaques de réseaux se cofondent avec
le revêtement de la route. Mais on retrouve aussi les petites bordures, de type P, qui entourent les
arbres par exemple, les passages bateaux ainsi que les caniveaux, respectivement bordures de type A
et type CC. Il faut donc pour chaque mission utiliser une station totale qui permettra de relever les
parties invisibles par le scanner et de contrôler l’exactitude du nuage de points. Ce contrôle doit être
fait sur plusieurs points comme des angles de bâtiment ou de murs.
Figure 44 : Plan de masse avec les éléments verts dessinés grâce au ZEB-REVO et en rouge grâce à la station totale
48
Les éléments en rouge sont ceux mesurés à la station totale. On retrouve les bordurettes, le traçage
des places de parking, les plaques des réseaux et les caniveaux. Les éléments en vert sont ceux du
scanner mobile, comme les murs, les bâtiments, les arbres, le mobilier urbain... On remarque que le
ZEB-REVO est un appareil très utile en ce qui concerne l’établissement de plans de masse.
Concrètement, il est utilisé en complément du levé, ce qui permet d’alléger les mesures à la station
totale.
Cet appareil convient aussi pour lever des axes routiers ou des corps de rue mais à certaines
conditions. L’appareil de GeoSLAM ne pouvant pas assurer une grande précision de position en
cheminement rectiligne sur une longue période, la mission ne doit pas s’allonger sur plusieurs
kilomètres, sous peine de voir se multiplier le nombre de scans. De plus, les bords de l’axe doivent
être bien définis. L’appareil reconnait la présence de bordures hautes ou le changement de la nature
du sol comme la limite entre l’enrobé de la chaussée et l’herbe de l’accotement.
3.2.4 Calcul de cubatures
L’entreprise Géo Sud Ouest répond à des marchés lancés par des gestionnaires de carrière
d’extraction. Les levés topographiques permettent à leur gérant de voir l’évolution de leur
exploitation. Dans ce cas, le ZEB-REVO va être utilisé pour une mission bien précise : mesurer le
volume et l’emprise de chaque stock. L’inconvénient principal de cette utilisation est l’espace entre
chaque agglomérat. Effectivement, l’environnement des carrières étant très pauvre, la dérive de la
centrale inertielle serait importante et la précision de position entachée d’erreur. La méthode est de
levé stock par stock. En tous cas, l’emploi du scanner mobile est un procédé bien plus rapide qu’une
station totale ou qu’un scanner statique avec lesquels il faudrait stationner plusieurs fois avant de
compléter le tour de l’emprise. Ce scanner est aussi beaucoup plus précis qu’un récepteur GNSS avec
lequel on prendrait seulement quatre points au pied du stock et un au sommet.
Le calcul de chaque dépôt peut être réalisé de différentes manières, en voici deux exemples :
Figure 45 : Calcul de cubatures réalisé avec Covadis ou directement avec PointCab
Avec le logiciel PointCab, on utilise l’outil ‘Volume’ pour sélectionner l’emprise du stock et obtenir le
résultat directement. L’autre solution est d’extraire un modèle numérique de terrain (MNT) grâce à
l’outil ‘Maillage’. Ce MNT est importé sous Autocad et avec Covadis, on réalise les traitements de
calcul de cubatures entre un plan et le MNT. Le ZEB-REVO fonctionne très bien pour calculer la
49
quantité d’un stock. Le temps de travail sur le terrain et au bureau est réduit par rapport aux autres
technologies. La précision obtenue permet aussi de répondre parfaitement à ce type de chantier.
3.2.5 Chambre de vannes
Géo Sud Ouest réalise pour le compte de syndicats des eaux le relevé de plusieurs chambres
de vannes. Le rendu attendu est un nuage de points 3D permettant la visualisation du parcours de
chaque tuyau. L’instrument habituellement utilisé est le Faro Focus X330. Le seul problème est la
répétition des mises en station. Chaque vanne doit être relevée sous différents angles. L’énorme
avantage qu’a donc le ZEB-REVO est de pouvoir passer partout assez rapidement. Avec l’appui de la
vidéo, l’identification des tuyaux est simplifiée.
L’utilisateur n’a plus qu’à créer un maillage de l’ensemble pour faciliter la visualisation. Cette étape
est réalisée grâce au logiciel Recap de Autodesk. Le seul problème pour ce type de levé est le
manque de colorisation du nuage de points. L’instrument de GeoSLAM est un produit très maniable
qui est adapté à ce genre de demande.
Des nouvelles applications sont donc possibles avec cet appareil et sont à développer au sein de
l’entreprise Géo Sud Ouest. Maintenant, il reste encore quelques manipulations à effectuer pour que
l’appareil soit totalement intégré dans le bureau et optimisé par l’équipe.
3.3 Recalage de plusieurs nuages de points
Lors des différentes opérations pour lesquelles intervient le géomètre, il arrive très souvent
qu’un seul scan ne suffise pas. Nous allons voir les procédés menant au recalage de différents nuages
de points 3D acquis par ZEB-REVO.
Ces opérations vont être réalisées grâce au logiciel SCENE de Faro. Ce dernier est déjà utilisé par
l’entreprise pour recaler entre eux les nuages de points résultant du Focus X330.
Concrètement, le levé sur le terrain se passe en deux temps. La première étape consiste à lever en un
scan l’ensemble des zones qui seront communes à tous les autres scans. Par exemple, pour un
intérieur d’immeuble, il faut relever toutes les parties communes et les couloirs de chaque étage.
Ensuite, à partir de chaque appartement, on va relever le couloir de l’étage. Cette zone commune
avec le premier scan permet de recaler le nuage de points de l’appartement au reste de l’ensemble
immobilier.
Une deuxième méthode de recalage peut être utilisée. Elle concerne tous les levés se présentant
sous forme linéaire. Dans ce cas là, nous avons besoin d’un recouvrement entre deux nuages de
points de plus de 30% pour que l’opération fonctionne parfaitement.
Dans un premier temps, on charge l’ensemble des scans dans le logiciel et on fixe le scan référence,
par exemple le premier nuage ou bien, le nuage contenant les zones communes suivant les cas.
Ensuite, il faut recaler manuellement et rapidement les nuages non fixés par rapport au nuage de
référence. Normalement, tous les nuages de points sont chargés horizontalement. En effet, le
gyroscope présent dans la tête du scanner permet de définir parfaitement le plan horizontal dans
n’importe quel environnement. On va donc seulement jouer sur la rotation d’axe Z grâce à la vue de
50
dessus et sur les trois translations. Si cela n’est pas fait, le calcul de calage sera plus long et risque
d’être entaché d’erreurs.
Une fois que tous les nuages sont approximativement calés, on lance le calcul. Le logiciel nous donne
les précisions de calage entre chaque nuage. Prenons un exemple avec le recalage de plusieurs
appartements sur une partie commune.
Figure 46 : Recalage de nuages de points et résultats des écarts moyens
L’écart moyen général de ce dernier calcul est de 1,2cm. L’écart moyen le plus grand entre deux
points de nuages différents est de 1,8cm. Nous pouvons donc annoncer aux clients une précision de
+/-2cm sur l’ensemble du levé. Enfin, on enregistre l’ensemble des scans dans un seul fichier.
Un contrôle de l’assemblage doit tout de même être réalisé. Pour cela, on réalise une coupe entre les
différents étages et on créer les plans de chaque étage grâce au logiciel PointCab. Les fichiers
obtenus sont intégrés dans Autocad et les vérifications sur la cohérence de l’assemblage sont faites.
Il reste à voir comment le géoréférencement d’un nuage de point, étant un réel atout pour la
majorité des missions, est mis en place. Cet avantage permettra au ZEB-REVO de répondre à de
nombreuses attentes de la part de l’entreprise.
3.4 Rattachement au système légal d’un nuage de points
Un des derniers travaux à accomplir avec le ZEB-REVO est le référencement dans le repère
légal de ses nuages de points. La solution utilisée par l’entreprise jusqu’ici était de réaliser le
rattachement par relevé de points caractéristiques, perceptibles au ZEB-REVO. En effet, étant donné
que les points du nuage ne sont pas colorisés, il faut rattacher le levé sur des points en « relief ». Le
rattachement sur cibles imprimées sur papier, comme utilisées avec le scanner Focus X330, est donc
impossible. Les points caractéristiques peuvent être des angles de bâtiment par exemple ou encore
un point à l’intersection de trois plans. Les rattachements du ZEB-REVO testés chez Géo Sud Ouest se
51
font avec deux points en coordonnées planimétriques (par exemple deux points sur l’arête d’un mur)
et avec un seul point en coordonnées tridimensionnelles (par exemple un point au pied d’un angle de
bâtiment). Cette technique fonctionne mais on réalise juste une translation suivant l’axe Z. Malgré le
fait que le gyroscope donne le plan horizontal, il n’y a aucun contrôle sur l’altitude de l’ensemble du
levé. De plus, la sélection d’un point dans un nuage n’est pas très évidente. Le rattachement subi
certainement une imprécision.
Le protocole mis en place est donc le suivant : pour avoir trois points de rattachement, on
commencera par planter trois clous au sol idéalement répartis au vu de l’emprise du chantier.
Ensuite, nous les relevons avec la station totale (précédemment rattachée à la BDU de Toulouse en
milieu urbain où il y a trop de masques pour que le récepteur GNSS fonctionne correctement) ou
directement au récepteur GNSS.
La Banque de données urbaine (BDU) de Toulouse est un support graphique découpé en nombreuses
planches numérotées qui représentent un ensemble de levés de corps de rue de la ville de Toulouse
(différents détails comme les trottoirs, fils d’eaux, plaques, réseaux de la rue ainsi que les bâtiments
existants). L'ancienne version (2008) de la BDU a été établie en planimétrie dans le système de la NTF
(Nouvelle Triangulation Française) associé à la projection Lambert zone et rattachée en altimétrie au
Nivellement Général de la France (NGF). La dernière version de la BDU (2012) est dans le système de
coordonnées RGF93 (Réseau Géodésique Français).
Le texte du changement réglementaire est le suivant :
Le décret du 3 mars 2006 (n°2006-272) impose aux services de l'État, des collectivités locales et aux entreprises chargées de l'exécution d'une mission de service public de diffuser les données géographiques dans le système national de référence, à partir du 10 mars 2009.
La BDU de Toulouse est donc passée du système de référence géodésique de la NTF (projection Lambert Zone III) au RGF93 (projection Lambert93-CC43) le 10 mars 2009.
Chacune des planches comporte, les stations utilisées pour réaliser le levé de la commune. Elles sont
matérialisées sur le terrain par des clous d’arpentages. De ce fait, lorsqu’on effectue un travail sur
Toulouse, on repère l’endroit où l’on travaille sur le plan d’ensemble. On consulte la planche
correspondante à ce lieu et on récupère les emplacements et les coordonnées tridimensionnelles des
stations susceptibles de nous servir pour rattacher notre chantier. Ces points peuvent aussi, tout
simplement, servir de contrôle dans le cas où l’on ne s’en sert pas pour rattacher les mesures.
L’avantage de l’utilisation de la station totale est que l’on peut lever des points de contrôle que l’on
aurait en commun avec le ZEB-REVO, comme par exemple des coins d’ouverture de portes ou de
fenêtres, des angles de bâtiment ou de murs… Dès que le rattachement et le levé en traditionnel
sont terminés, on place une boule cible aimantée sur chacun des clous (145mm de diamètre+aimant
de 8mm).
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Figure 47 : Boule cible posée sur un clou d’arpentage – Source personnelle
Pour bien rattacher au système légal le levé au scanner mobile, il faut tourner autour de toutes les
boules cibles. Si on repasse devant une boule cible, il est conseillé de la relever mais il faut s’assurer
qu’elle n’ait pas bougé. Le relevé de la boule se fait avec une portée de 1 ou 2m qui permet ainsi à
l’appareil de visualiser des éléments autour. Ils seront utilisés comme éléments de surface et
éviteront à l’appareil de ne compter que sur les mesures de la centrale inertielle pour le calcul. Une
fois au bureau, on commence le traitement informatique. On cherche à détecter automatiquement
le centre des boules cibles et on leur rentre les nouvelles coordonnées rattachées au système de
référence (RGF93 en planimétrie et NGF/IGN69 pour l’altimétrie) calculées avec la station totale ou le
récepteur GNSS. Pour l’altimétrie des boules cibles, il faut faire attention à ne pas oublier d’ajouter le
rayon de la boule à l’altitude du point levé ainsi que l’épaisseur de l’aimant.
Pour le rattachement, le logiciel gratuit CloudCompare sera utilisé. Il permet à la fois le
géoréférencement du nuage avec la reconnaissance de boules cibles mais aussi en sélectionnant
seulement un point du nuage si l’on n’a pas d’autres choix. La manipulation n’est pas automatisée.
Tout d’abord, il faut charger, dans un nouveau projet, le nuage de points préalablement assemblé s’il
y a eu plusieurs scans (fichier .las ou .e57) et ajouter les coordonnées des points référence de
rattachement (fichier .txt ou .csv). Les altitudes NGF-IGN69 se verront rajoutées une constante de
8cm correspondant à l’écart entre l’altitude du clou et le centre de la boule cible.
Ensuite, on lance l’outil « Aligns two clouds by picking equivalent point pairs ». Dans un premier
temps, on va cliquer sur les points se situant dans le nuage à rattacher. Pour cela, il suffit de
sélectionner le point à référencer ou de détecter le centre d’une boule cible en cochant l’icône
« boule ». Il faut rentrer le rayon de la cible utilisée et grâce à l’application d’un seuil, le logiciel va
trouver automatiquement le centre de la cible. Ensuite, il faut sélectionner, dans le même ordre, les
points correspondant dans le bon système de coordonnées.
53
Figure 48 : Rattachement d’un nuage de point avec CloudCompare
CloudCompare va donc calculer la moyenne quadratique des écarts entre les paires des points de
rattachement. Cette moyenne est généralement comprise entre 1 et 5cm. Cela nous donne une idée
de la précision de la transformation. Cette précision est appelée précision absolue. C’est le fait
d’estimer la qualité d’un nuage de points par rapport à sa véritable position dans un système de
référence.
La moyenne quadratique de x s’écrit sous la formule :
étant l’écart sur une paire de point.
Maintenant que nous avons vu que le géoréférencement d’un nuage de point levé au ZEB-REVO est
possible, nous allons développer un paragraphe sur les améliorations possibles à apporter ou à
développer sur ce scanner mobile.
3.5 Améliorations possibles du système
Le développement de la capture d’images permettant de texturer le nuage de points afin de réaliser
des rendus 3D serait intéressant et permettrait au ZEB-REVO d’étendre son champ d’application. Il
pourrait par exemple, profiter de l’explosion de la modélisation des données du bâtiment, ou BIM,
pour pouvoir être utilisé davantage.
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L’entreprise GeoSLAM a annoncé courant mai la commercialisation d’un service de visualisation en
direct des données collectées. Cette visualisation des données en temps réel serait un réel atout.
L’opérateur vérifiera sur le moment s’il n’a pas oublié des pièces ou des endroits à relever. A la place
de lancer le calcul sur le terrain, il verra directement si le calcul de la trajectoire est correct et il
gagnera deux fois plus de temps que s’il allumait un ordinateur.
Pour finir, le tableau suivant récapitule toutes les missions analysées au cours de ce travail de fin
d’études :
Applications Utilisation du ZEB-REVO
Levé d’architecture
- portée insuffisante ; - bruit trop important sur les détails ; - pas de colorisation du nuage ; - précision de 1cm impossible.
Relevé de surfaces - précision suffisante ; - rapidité d’acquisition et de vectorisation.
Mise en copropriété et division en volumes
- 10 fois plus rapide qu’une méthode traditionnelle.
Levé de pistes
- absence d’orthophotographies permettant de discerner la limite de la piste ; - aucun point sur le terrain naturel si la végétation est trop abondante ; - multiplication des scans pour éviter la dérive de la centrale inertielle.
Levé forestier - technologie de GeoSLAM très performante ; - reconnaissance facile des éléments de surface ; - précision supérieure à un levé avec une station totale.
Réalisation de plans de masse - utilisation du scanner mobile comme complément de levé de la station totale.
Calcul de cubatures - rapidité et précision améliorées par rapport aux autres appareils topographiques pouvant être utilisés.
Levé d’une chambre de vannes - la maniabilité de l’appareil permet d’observer les tuyaux sous tous les angles : gain de temps par rapport à l’utilisation d’un scanner statique.
Tableau 6 : Récapitulatif des applications réalisées au ZEB-REVO
Les cases en rouge représentent les travaux pour lesquels l’utilisation du ZEB-REVO est déconseillée.
En vert, ce sont toutes les missions pour lesquelles il est avantageux d’utiliser l’appareil de GeoSLAM.
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Conclusion
Ce travail de fin d’études avait pour objectif d’étudier le fonctionnement d’un nouveau
scanner laser mobile portable à main : le ZEB-REVO. J’ai travaillé au sein de l’entreprise Géo Sud
Ouest afin de développer son utilisation.
Après avoir présenté les éléments qui composent ce scanner, j’ai présenté la technologie dont le
constructeur GeoSLAM se servait pour calculer un nuage de points. Dépourvu de récepteur GNSS, le
ZEB-REVO est un appareil qui détermine sa position à l’aide de sa centrale inertielle et la
reconnaissance d’éléments de surface. Sa légèreté et sa maniabilité lui permet de s’adapter à tous les
environnements.
Une série de tests a été réalisée pour définir le mode opératoire le mieux adapté. Ce mode aura été
amélioré par rapport à celui préconisé par le constructeur. Les options de calcul ont été étudiées
afin d’évaluer leur influence sur la détermination de la trajectoire et donc du nuage de points.
Initialement prévu pour des relevés d’intérieurs, cet appareil peut être adapté à d’autres types de
situations. Comme nous l’avons vu, des missions de relevé d’intérieur, de calcul de surface, ou en
extérieur peuvent être accomplies. L’appareil est utilisé dès lors qu’il répond aux attentes du client.
Suivant l’environnement dans lequel évolue le ZEB-REVO, des portées maximales sont à respecter
pour atteindre tous les éléments. Chaque utilisateur doit être averti de la précision qu’il pourra
annoncer aux clients
Que ce soit sur le terrain ou au bureau pour le traitement des données, le ZEB-REVO est
généralement plus rapide qu’un scanner laser statique. Du moment que la précision est acceptable,
le scanner mobile est utilisé mais toujours avec une station totale. Sur chaque chantier, il ne faut
jamais omettre de contrôler le nuage de points. L’utilisateur ne pouvant jouer que très relativement
sur le calcul, il est important d’être sûr de son levé.
De plus, l’utilisation d’une station totale et d’un récepteur GNSS permet le géoréférencement des
scans. Grâce aux boules cibles installées sur chacun des points de référence et leur reconnaissance
automatique, la mission sera rattachée au système légal.
Au bureau de Castanet-Tolosan, la majorité des rendus de levés au ZEB-REVO sont des plans.
Plusieurs applications tendent à être développées pour élargir le champ d’application d’un tel
appareil. Il se trouve être très pratique pour des travaux forestiers ou encore des calculs de
cubatures.
De plus en plus de clients sont attirés par des rendus 3D, comme par exemple la représentation de
chambres de vannes ou la confection de visites virtuelles de monuments. Un travail sur la
colorisation de nuages de points serait très intéressant et enrichissant. Il permettrait au ZEB-REVO de
répondre parfaitement aux attentes du BIM qui est une matière en développement exponentiel.
Le scanner laser portable est un instrument de topographie rapide et intuitif. Il est le futur de la
profession et d’ici peu de nombreux cabinets en seront équipés. L’intérêt porté à leur capacité et à
leur adaptabilité est sans limite. Après le ZEB1, GeoSLAM a réalisé des efforts considérables sur la
modularité et la précision de leur instrument. Leur futur appareil pourrait-il être encore plus précis ?
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Bibliographie
Ouvrages imprimés
ZEB-REVO User Guide. GeoSLAM, 2016, 47 p.
Travaux universitaires
DEMEULE Vincent. Estimation des déplacements des piétons à partir des mesures inertielles et GPS
d’un smartphone. Géomètre et Topographe, LE MANS : CNAM-ESGT, 2013, 50 p.
C. DEYMIER, C. TEULIERE, T. CHATEAU. Etalonnage automatique d’un système d’acquisition Caméras
– Centrale inertielle – Lidar 3D. Reconnaissance de Formes et Intelligence Artificielle, FRANCE, 2014, 6
p.
POREBA Martyna. Qualification et amélioration de la précision de systèmes de balayage laser mobiles
par extraction d’arêtes. Informatique temps-réel, robotique et automatique, PARIS : Ecole nationale
supérieure des mines de Paris, 2014, 179 p.
NUNES Marine. Etude d’un système de type « Mobile Mapping Scanning » et mise en œuvre d’une
procédure de calibration. Géomètre et Topographe, LE MANS : CNAM-ESGT, 2015, 59 p.
Articles de périodiques imprimés
FLACELIERE Bernard. Le positionnement inertiel et ses applications terrestres, souterraines et sous-
marines. Revue XYZ, N° 125 4e trimestre 2010, p. 48-54
Sites web
GeoSLAM. A Survey REVOlution, [en ligne]. Disponible sur : <http://www.geoslam.com/wp-
content/uploads/2015/11/ZEB-REVO-Brochure-v1.0.3.pdf>. (consulté le 13 mars 2017)
GeoSLAM. Introducing A New Vision, [en ligne]. Disponible sur : <http://www.geoslam.com/wp-
content/uploads/2016/12/ZEB-CAM-Brochure-v1.pdf>. (consulté le 13 mars 2017)
GeoSLAM. Survey in motion, [en ligne]. Disponible sur : <http://www.geoslam.com/wp-
content/uploads/2015/11/ZEB1_Brochure_v1.0.1.pdf>. (consulté le 13 mars 2017)
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Liste des figures
Figure 1 : Photographies du ZEB-REVO - Source personnelle ................................................................. 7
Figure 2 : Interface du logiciel Zeb1 Uploader ...................................................................................... 10
Figure 3 : Fichier au format .ply représentant la trajectoire de l’appareil ............................................ 10
Figure 4 : Fichier au format .ply représentant les conditions du levé ................................................... 11
Figure 5 : Choix du type de fichier en sortie du logiciel GeoSLAM Desktop V3 .................................... 12
Figure 6 : Choix des paramètres locaux de calcul dans l’interface du logiciel GeoSLAM Desktop V3 .. 13
Figure 7 : Choix des paramètres globaux de calcul dans l’interface de GeoSLAM Desktop V3 ............ 14
Figure 8 : Plan vu du dessus représentant le bureau de Castanet-Tolosan réalisé avec PointCab ....... 15
Figure 9 : Photographie du ZEB-REVO équipé de la ZEB-CAM – Source personnelle ........................... 17
Figure 10 : Viewer du nuage de points avec le logiciel Desktop V3 de GeoSLAM ................................ 18
Figure 11 : Composition du ZEB1, premier appareil de GeoSLAM – Source : 3D laser mapping .......... 19
Figure 12 : Résolution du ZEB-REVO...................................................................................................... 20
Figure 13 : Photographie de l’utilisation du Scanner Freestyle 3D de Faro – Source : faro.com .......... 21
Figure 14 : Photographie de l’utilisation du Pegasus : Backpack de Leica – Source : leica-
geosystems.us ....................................................................................................................................... 21
Figure 15 : Plans vus du dessus représentant le levé du bureau à trois vitesses différentes : lente,
normale et rapide .................................................................................................................................. 22
Figure 16 : Superposition de deux nuages de points levés au ZEB-REVO ............................................. 23
Figure 17 : Histogramme de la répartition des écarts en fonction de leur nombre ............................. 24
Figure 18 : Interface de l’outil Covadis ‘Recalage Helmert’ à l’échelle 1 .............................................. 25
Figure 19 : Ecart sur un angle extérieur de bâtiment entre les mesures du ZEB-REVO et d’une station
totale ..................................................................................................................................................... 26
Figure 20 : Eléments mobiles (bleu) et les éléments à ne pas dessiner (rouge) ................................... 27
Figure 21 : Sens de levé des différents types de porte ......................................................................... 28
Figure 22 : Représentation des conditions de levé dans un même couloir sans élément de surface
(haut) et avec éléments de surface (bas) .............................................................................................. 29
Figure 23 : Résultat du levé d’un couloir en marche arrière ................................................................. 30
Figure 24 : Nuage de points d’une salle de classe ................................................................................. 30
Figure 25 : Zoom sur les points pris durant le geste brusque ............................................................... 30
Figure 26 : Seuils de résolution sur la façade d’un immeuble............................................................... 31
Figure 27 : Trajectoire en boucle ........................................................................................................... 32
Figure 28 : Trajectoire linéaire .............................................................................................................. 33
Figure 29 : Trajectoire en 8 ou croisée .................................................................................................. 33
Figure 30 : Superposition du scan sur un levé à la station totale pour la détermination de la dérive . 34
Figure 31 : Zoom sur le début du levé Figure 32 : Zoom sur la fin du levé ..................................... 35
Figure 33 : Zoom au milieu du levé ....................................................................................................... 35
Figure 34 : Sélection du plan ................................................................................................................. 36
Figure 35 : Sélection des objets par un polygone d’emprise ................................................................ 37
Figure 36 : Nuage de points avec la chaise supprimée ......................................................................... 37
Figure 37 : Superposition du nuage levé au scanner mobile avec un nuage levé au scanner statique 40
Figure 38 : Zoom 1, écart intérieur max. à l’extrémité Sud Figure 39 : Zoom 2, écart intérieur max. à
l’extrémité Est ....................................................................................................................................... 41
Figure 40 : Levé commencé à l’extérieur passant dans un intérieur .................................................... 43
58
Figure 41 : Dérive de la centrale inertielle provoquant un écart de position ....................................... 44
Figure 42 : Résultat d’un levé de trois arbres........................................................................................ 46
Figure 43 : Plan du nuage de points d’un parc contenant une quinzaine d’arbres .............................. 46
Figure 44 : Plan de masse avec les éléments verts dessinés grâce au ZEB-REVO et en rouge grâce à la
station totale ......................................................................................................................................... 47
Figure 45 : Calcul de cubatures réalisé avec Covadis ou directement avec PointCab .......................... 48
Figure 46 : Recalage de nuages de points et résultats des écarts moyens ........................................... 50
Figure 47 : Boule cible posée sur un clou d’arpentage – Source personnelle ...................................... 52
Figure 48 : Rattachement d’un nuage de point avec CloudCompare ................................................... 53
59
Liste des tableaux
Tableau 1 : Principales caractéristiques des deux appareils de GeoSLAM ........................................... 19
Tableau 2 : Résolutions du ZEB1 et du ZEB-REVO ................................................................................. 20
Tableau 3 : Résolution du ZEB-REVO en intérieur ................................................................................. 31
Tableau 4 : Résolution du ZEB-REVO en extérieur ................................................................................ 31
Tableau 5 : Comparaison des prix des deux scanners ........................................................................... 42
Tableau 6 : Récapitulatif des applications réalisées au ZEB-REVO ........................................................ 54
60
Résumé
Aujourd’hui, nous assistons au très large développement des scanners laser mobiles. Le ZEB-
REVO est l’un des derniers scanners portables à main. Cet appareil n’utilise pas de mesures GNSS et
ne s’appuie que sur sa centrale inertielle et la reconnaissance d’éléments de surface (technologie
SLAM) pour le calcul de nuages de points. Il est présenté comme rapide, maniable et adapté pour le
relevé d’intérieur. Mais bien d’autres applications sont possibles avec mode opératoire ajusté.
Sur certains chantiers, comme en forêt ou pour le calcul de cubatures, l’appareil de GeoSLAM peut
remplacer les méthodes de levé traditionnelles. Pour la réalisation de plan de masse, il peut –être
utilisé comme un complément de levé. Mais sur chaque mission, le nuage de points doit absolument
être contrôlé, c’est ce qui permet au géomètre d’assurer la précision des mesures effectuées.
D’autres améliorations sur le ZEB-REVO lui permettront d’étendre son champ d’application et aussi
sa clientèle.
Mots clefs : scanner laser mobile, PLS, SLAM, nouvelles applications, mode opératoire.
Summary
Today, we’re attending the very large development of mobile laser scanners. The ZEB-REVO
is one of the latest hand-held mobile scanners. This equipment doesn’t use GNSS measurements and
uses only its inertial unit and the recognition of surface elements (SLAM technology) to calculate
points clouds. It is presented as quick, easy to use and suitable for indoor environnement. But many
other applications are possible with an adjusted operating mode.
On some works, such as in the forest or to calculate volumes, the GeoSLAM’s equipment can replace
the traditional survey methods. For the realization of masse plans, it can be used as a complement of
survey. But on each mission, the point cloud must absolutely be controlled, which is what allows the
geometer to ensure the accuracy of the measurements made.
Other improvements on the ZEB-REVO will allow it to extend its application scope and also its
constumers.
Keys word : mobile laser sscanners, PLS, SLAM, new applications, operating mode.
