Scan 3D, définition et usages dans le bâtiment

Qu’est-ce qu’un scan 3D ?

Fiers descendants des traditionnels télémètres laser, avec lesquels ils partagent des principes de mesure communs, les scanners laser 3D sont les appareils de télémétrie nouvelle génération.

Ils permettent de générer différents types de données : nuage de points 3D, photos panoramiques, ou plus spécifiquement des données thermiques pour certains modèles.

Dans cet article, nous vous proposons un tour d’horizon des sujets principaux autour du relevé 3D de l’existant :

• Le fonctionnement des scanners 3D, et notamment la technologie du LiDAR ;
• Les différentes solutions de scan 3D terrestres (scanners statiques et dynamiques) et aériennes (drones) ;
• Les usages principaux dans le bâtiment ;
• Les étapes clé pour réussir son projet de relevé de l’existant ;
• Comment évaluer le coût d’un projet de relevé.

Une solution basée sur le système de LiDAR

Le système de mesure des scanners laser 3D repose sur la technologie du LiDAR (Light Detection and Ranging). Chaque scanner sera équipé d’un ou plusieurs capteurs LiDAR, permettant de capturer l’environnement en 3D.

Techniquement, chaque capteur émet un faisceau lumineux balayant horizontalement et verticalement l'environnement.

À chaque fois qu’un obstacle est rencontré par ce faisceau, la distance jusqu’à celui-ci est mesurée afin de positionner un point au lieu de rencontre, aux coordonnées x, y et z.

La répétition de ce processus permet alors de constituer un nuage de points : un véritable calque 3D de l’environnement, dont la densité dépend de la configuration et des capacités du scanner choisi.

Quelles sont les différentes solutions de scan 3D ?

Dans le domaine du bâtiment, les scanners 3D les plus communs sont les scanners statiques (appareils de mesure sur trépied), produits par des fabricants tels que Leica, Faro ou Trimble.

Depuis quelques années, les scanners mobiles ont fait leur apparition et s’avèrent être une très bonne option pour les grands projets, offrant une plus grande rapidité d’acquisition.

Finalement, les drones sont également utilisés pour produire des modèles 3D via une captation aérienne.

Nous vous proposons ici de faire un tour d’horizon de ces 3 différentes solutions de scan 3D pour découvrir le fonctionnement et les avantages de chacune d'entre elles.

Les scanners statiques

Les scanners statiques sont les solutions de scan 3D les plus répandues dans le domaine du bâtiment. Celles-ci se composent de deux parties :

• Une « tête » (bloc principal) intégrant notamment l’unique capteur LiDAR de scanner et un appareil photo ;
• Un trépied ajustable, permettant de stabiliser l’appareil en phase de capture et d’ajuster sa hauteur.

Le processus de capture au scanner statique est séquencé en différentes stations. Le scanner va être placé et déclenché sur plusieurs positions dans une scène afin de la capturer entièrement. Chaque position correspond à une « station », depuis laquelle un nuage de points et une photo panoramique sont capturés.

Après la capture de données 3D, une prise de photo panoramique de la scène est également enclenchée. Cette photo permettra de coloriser le nuage de points capturé, et de générer un point de vue panoramique de la scène.

Pour atteindre des points hauts lors de la captation, la tête du scanner peut être séparée du trépied d’origine pour être montée sur un trépied plus haut pour relever des zones comme des combles, ou des faux plafonds.

Les scanners 3D mobiles

Les scanners mobiles, ou dynamiques, sont des systèmes de mesure plus récents. Ces scanners dynamiques se matérialisent par des équipements inspirés de chariots ou de sacs à dos, que l’on pousse ou porte sur soi dans une scène.

À la différence des scanners statiques, ils permettent une acquisition continue tout en étant déplacés dans l’environnement : la logique de stations disparaît.

Pour permettre cette acquisition en mouvement et une reconstitution correcte de l’environnement, les scanners dynamiques disposent d’un système de localisation composé d’un système de positionnement et d’une centrale inertielle (Inertial Measurement Unit, ou IMU).

D’un côté, le système de positionnement s’appuiera sur la technologie GNSS (Global Navigation Satellite System, ou GNSS) ou par cartographie simultanée (Simultaneous Localization And Mapping, ou SLAM). L’objectif ici est de construire la liste de positions du scanner au cours du temps.

Parallèlement, la centrale inertielle intégrera les mouvements et déplacements du scanner, pour en déduire son orientation et sa vitesse.

Une certaine partie de ces scanners, dont les scanners NavVis M6 et VLX que nous utilisons, photographient l’environnement lors du processus de capture, et ce, tous les « x mètres » en fonction du paramétrage choisi.

Numérisation 3D par drones

Dans le domaine de la numérisation 3D aérienne de bâtiments, deux méthodes d’acquisition par drones coexistent :

• l'acquisition 3D par LiDAR, basée sur la même technologie que l’acquisition terrestre au scan 3D ;
• la captation et reconstitution photogrammétrique.

La photogrammétrie se basant sur une acquisition de photos, elle s’éloigne du principe du scan 3D, ainsi nous nous concentrerons sur l’acquisition LiDAR dans cet article.

Pour mettre en œuvre cette méthode, il s’agira d’utiliser un drone dont les traditionnels appareils photo sont remplacés par des capteurs LiDAR, permettant de faire une acquisition 3D de l’environnement.

Les drones étant également mobiles dans les airs, ils devront eux aussi contenir une centrale inertielle et un système de positionnement par GPS pour analyser les informations de position et d’orientation des capteurs 3D.

Assemblage des données issues de scan 3D terrestres et de captations aériennes

Afin d’assembler le nuage de points ou le modèle photogrammétrique créé avec le nuage de points intérieur du bâtiment, il s’agira de définir des points de coordonnées GNSS communs aux deux entités.

Ces points de coordonnées GNSS sont généralement placés au sol, à l’extérieur du bâtiment et créés grâce à des cannes GNSS, puis relevés par les scanners terrestres et les drones lors de l’acquisition.

Protocole de scan 3D multi-technologies

Pour chaque relevé de l’existant, il s’agira de choisir les solutions de scan 3D les plus adaptées au projet en question.

Le cahier des charges du projet (maquette numérique, plans, et niveaux de détail associés) et des facteurs tels que la surface, la densité de points nécessaire ou encore l’accessibilité des zones à relever sont à prendre en compte.

À ce sujet, chez My Digital Buildings, nous avons développé des outils et un savoir-faire permettant d’opter pour un protocole de relevé multi-technologie (combinant scanners statiques, dynamiques et drones).

Ce protocole nous permet d’utiliser les solutions les plus adaptées à chaque zone du bâtiment, et d’assembler les données générées par chaque équipement.

L’approche du protocole de scan 3D multi-technologies présente plusieurs avantages :

• Le premier avantage majeur concerne la rapidité d’acquisition. Intégrez des solutions de scan mobile permet d’aller beaucoup plus vite dans l’acquisition, minimisant ainsi la perturbation des zones en activités ou dangereuses ;
• Ensuite, les zones inaccessibles au scanner mobile ou nécessitant une acquisition plus dense pourront être relevées au scanner statique. Le relevé reste complet et aligné avec le cahier des charges d’un projet quelles que soient les spécificités du bâtiment.

C’est donc une structure de précision optimale qui sera définie, garantissant la qualité des livrables du projet.

Les principaux usages autour du scan 3D de bâtiment

Les données acquises lors d’un scan 3D reflètent les conditions exactes et réelles de la structure numérisée.

Celles-ci peuvent être exploitées pour créer (ou mettre à jour) des supports (plans 2D et maquette numérique) rapidement et démarrer un projet sur des bases fiables.

Pour produire ces supports projet, il s’agira d'exploiter le nuage de points capturé dans des logiciels de CAO.

Le scan 3D pour dessiner les plans et maquettes 3D de son projet

En ce qui concerne le dessin de plans 2D, il s’agira de travailler le nuage de points dans un logiciel tel que Autocad.

Celui-ci permettra d’isoler des coupes horizontales et verticales dans le nuage pour obtenir des coupes et profils en 2D, qui serviront ensuite de calques pour dessiner des plans. Ce worfklow est communément nommé le « scan to plan ».

Pour la modélisation 3D d’un bâtiment, le nuage de points sera exploité comme une enveloppe sur laquelle se baser en phase de modélisation. Nous parlons alors d’une méthode de « scan to bim ».

Produire ces deux formats de données spatiales en se basant sur un relevé 3D de l’existant permet d’obtenir des supports projet fiables, basés sur une empreinte complète et précise du bâti.

Les étapes clés pour réussir le scan 3D d’un bâtiment

Afin de garantir le succès d’un projet de scan 3D et de produire des livrables alignés avec le cahier des charges du projet, il s’agira de suivre une certaine méthodologie, en amont, pendant, et en aval de l’intervention terrain.

Chez MDB, nous  avons identifié 5 étapes clé :

• l’étude des besoins et la définition des livrables
• le choix des solutions de scan 3D
• l’étude des plans et la définition d’une cinématique de numérisation
• la préparation et la numérisation des zones
• le post-traitement des données capturées

Ces étapes sont chronologiques, les choix faits à chacune d’entre elles conditionnent la suite du projet et la prise de décision associée. Si vous souhaitez en savoir plus, nous détaillons l'ensemble de ces étapes dans cet article.

Évaluer le coût d’une opération de scan 3D dans le bâtiment

Quelques critères de prix incontournables

Le coût d’un relevé 3D se mesure en fonction de différents critères objectifs.

Évidemment, cela dépend tout d’abord de ce qui sera à numériser, d’un point de vue de la surface et du temps d’acquisition associé. Ainsi, il s’agira d’évaluer :

• Le type de bâtiments dont il est question (industriel, tertiaire, logistique, logement, etc.)
• Leur superficie et le nombre d’étages
• L’encombrement et le taux d’occupation des zones principales, permettant d’estimer le temps passé dans celles-ci. À titre d’exemple, un entrepôt vide de 5000m² pourrait être plus rapide à scanner qu’un plateau de bureaux occupés de 3000m²

Ensuite, il faudra également prendre en compte des critères associés au projet en lui-même, aux livrables attendus et à l’utilisation finale de celles-ci. Ainsi, les questions suivantes se posent :

• Est-il nécessaire de relever l’intérieur et l’extérieur du bâtiment ?
• Une maquette numérique sera-t-elle produite ? Si oui, à quel niveau de détail ?
• Est-il nécessaire de générer des plans 2D ?
• Comment le nuage de points sera-il exploité ?

L’ensemble de ces critères permettent de définir un cahier des charges précis, de cadrer le périmètre d’un projet de relevé et le devis associé.

L’impact des scan 3D utilisés sur le coût d’un projet

L’évolution des solutions de relevé, et notamment l’apparition des scanners mobiles comme le NavVis M6 ou le plus récent NavVis VLX nous permettent de numériser de grandes surfaces dans des délais record, et ainsi de réduire le coût d’une opération de relevé.

Il ne faut pas se leurrer, utiliser uniquement ce type de scanner ne permet pas d’adresser l’ensemble des projets, c’est pourquoi il est important de savoir utiliser des scanners statiques. Ces derniers s’avèrent particulièrement complémentaires, notamment lorsqu’il s’agit de couvrir des zones plus encombrées ou de capturer un nuage de point d’une plus grande densité.

Ainsi, comme c’est le cas chez My Digital Buildings, opter pour un protocole de scan 3D multi-technologie et savoir tirer profit des différentes solutions de scan 3D permettra de réduire les coûts associés aux opérations, tout en répondant aux besoins exprimés par un client.

Quel futur pour le scan 3D ?

La capture de données autour des bâtiments est un domaine encore très récent, les protocoles, logiciels et équipements vont encore évoluer, et ce, à plusieurs égards.

Dans un premier temps, l’acquisition de données devrait être de plus en plus rapide. Cela passera notamment par l’amélioration des solutions de scan 3D existantes et leur usage conjoint sur de mêmes opérations (protocoles de relevé multi-technologie).

Parallèlement, le traitement des données capturées sur site est aussi amené à se fluidifier, voire à s’automatiser. Par exemple, les phases d’assemblage et de nettoyage des nuages de points devraient être accélérées.

Et finalement, l’apparition de solutions de scanners légers où autonomes devrait simplifier la mise à jour des données d’un bâtiment. Des acteurs sur site pourront par exemple scanner une partie d’un bâtiment avec un smartphone pour mettre à jour un modèle existant, ou laisser un drone ou robot autonome se charger de capturer l’environnement.

In fine, ces évolutions devraient rendre la création et la mise à jour des doubles numériques des bâtiments encore plus rapides et accessibles.

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Pour aller plus loin :

• https://escadrone.com/publication/guide-gnss-rtk-ppk/
• https://www.geoweeknews.com/news/faro-and-boston-dynamics-announce-trek-integration-for-automated-3d-scanning

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