Tout comprendre (ou presque) sur le scanning 3D
Selon la nature de votre site ou de vos installations, le type de relevé à envisager ne sera pas le même.
Quel est l'objectif du relevé? De quelle précision avez-vous besoin? Quel niveau de détail le scan doit il atteindre? La campagne doit-elle être géoréférencée?
Pas facile d'y voir clair dans ce métier qui paraît si nouveau et qui pourtant existe depuis les années 90.
Je vous donne certaines clés pour y voir plus clair, car le scan, c'est ma bataille!
En bonus, vous trouverez une fiche de consultation de scanning à télécharger en pied de page.
1 - Vos besoins
1.1 - Industriels: intégrer de nouveaux équipements et réseaux, moderniser, optimiser
2 phases sont à distinguer: l'avant projet (APS, APD) et les études d'exécution.
En phase d'avant-projet, quand on cherche uniquement à positionner des blocs, un scanning 3D mobile peut s'avérer suffisant. Il sera assez précis pour capturer la forme générale des équipements. Il sera toutefois insuffisant sur des réseaux de tubes de faible à moyen diamètre (DN15 à DN65), les brides de raccordement, et sur les profilés métalliques.
En phase d'étude d'exécution, mieux vaut effectuer un scan avec un scanner dit "terrestre" c'est à dire sur trépied fixe. C'est le scan le plus précis qui permettra de descendre en-dessous de 3mm par station. C'est également le meilleur moyen de capturer les réseaux pour préparer une préfabrication (isométriques, plans d'exécution).
Mon avis personnel: pour les zones à forte densité technique, privilégiez le scan terrestre dès l'avant projet. En effet, si vous commencez avec un scan mobile, vous devrez refaire une campagne au scanner terrestre une fois le projet plus avancé.
Le bon compromis: vous pouvez faire la campagne en 2 étapes. Durant l'avant projet, quand il n'y a pas encore besoin de capturer tous les détails, faites réaliser une campagne au scanner terrestre, mais avec des positions relativement espacées.
En phase exécution, faites réaliser le complément de stations pour aller cibler les zones de détail.
1.2 - Industriels: scanner l'ensemble du site, pour mise à jour du DOE
Dans ce cas, vous avez besoin d'une campagne qui est un mix entre des zones extérieures, d'autres intérieures à faible densité technique (couloirs, stockages), et d'autres plus techniques (production, locaux techniques).
On peut dans ce cas combiner les technologies de scan mobile et statique (terrestre). Le scanning mobile sera réservé aux zones extérieures et peu techniques. Pour les toitures, il peut même être utile d'utiliser un relevé par drone. Attention toutefois: si des éléments très techniques sont en toiture, cela peut nécessiter la réalisation de scans précis.
Le site pouvant être grand, il est préconisé d'ajouter des points de contrôle avec une station totale pour éviter toute déviation, et aussi de relever des points GPS pour le géoréférencement.
Il n'est pas nécessaire de tout scanner en détail, y compris les zones techniques. Ce scanning global est davantage une ossature de départ*. Je préconise la réalisation ultérieure de petites campagnes de scanning ciblées selon les besoins des travaux, ou pour mettre à jour des zones.
*ma vision: selon moi, dans le futur, le scan se fera en 2 étapes. La première sera une campagne globale faite par un professionnel. Ce relevé constituera une ossature de base. Ensuite, les scans de détail et les mises à jour seront effectuées par l'industriel ou ses intervenants. En effet, les scanners se démocratisent et les prix baissent. Les bureaux d'études et les installateurs sont de plus en plus nombreux à s'équiper. Ils pourront venir greffer les compléments de scan à la campagne de base.
1.3 - Contrôles géométriques
Contrôler une planéité de dalle, le parallélisme de rails de ponts roulants, les déformations d'une cuve...
Toutes ces opérations nécessitent un scan précis, donc effectué avec un scanner terrestre performant.
Pour les opérations de haute précision (exemple: positionner un axe de turbine), nécessitant d'aller au millimètre voire moins, les scanners terrestres sont insuffisants, et il faudra avoir recours à un tracker laser et des prismes de précision.
Pour le contôle de petites pièces nécessitant une très haute précision (0,1mm voire moins), on entre là dans une autre gamme de scanners, non adaptés au scanning de grandes surfaces.
1.4 - Bâtiments du patrimoine
Ces bâtiments sont souvent assez imposants et possèdent de nombreux ornements.
Le combo gagnant est ici le scanning terrestre et la photogrammétrie. Le scanning terrestre apportera la précision, et la photogramétrie apportera l'exhaustivité et une texture photographique très qualitative, utile pour effectuer des diagnostics (présence de mousses, de moisissures, de petites fissures). Ce type de campagne étant souvent géoréférencée, il faut des points de calage GPS et un travail à la station totale.
Selon le besoin, on conservera le nuage de points ou on le convertira en un maillage de sorte à avoir des surfaces fermées texturées.
1.5 - Nuages de points 3D et modélisation
Quand on découvre le scanning 3D on pense à un instrument tellement novateur qu'on va automatiquement obtenir une maquette CAO ou BIM*. Or, pour tout un ensemble d'opérations, il est nécessaire de transformer les relevés 3D en une maquette. Ce processus est à l'heure actuelle encore essentiellement manuel.
Plus vous demanderez de détails et de précision dans la maquette et plus l'effort de modélisation sera important. Pour un relevé 3D qui dure une journée, la modélisation peut aussi bien durer 2 jours que 2 semaines. En effet, si vous avez besoin d'une maquette numérique avec le minimum (génie civil, structure principale, formes générales des équipements), cela durera beaucoup moins longtemps que s'il faut modéliser tous les petits réseaux et chemins de câbles.
Essayez donc de bien délimiter le périmètre de votre besoin en matière de maquette numérique CAO / BIM, car c'est l'élément qui risque de vous coûter le plus cher.
Et avant toute chose: demandez-vous si l'opération nécessite vraiment une modélisation, et si on ne peut pas arriver à l'objectif avec le nuage de points et le bon outil. Parfois, la modélisation est "overkill" par rapport à un besoin en réalité limité à la prise de mesures ou au prépositionnement d'éléments en phase d'avant-projet.
*en réalité, ce n'est pas la maquette qui est BIM, c'est la méthodologie. On peut tout à fait réaliser une maquette sur Revit ou sur Archicad qui ne satisfait en rien les exigences du BIM.
2 - Comment consulter
Bien des acteurs de la construction et de l'industrie ont du mal à aborder la consultation de sociétés de scanning, car il n'existe pas vraiment de cahier des charges.
Je vois parfois des cahiers des charges faits par des consultants externes qui s'autoproclament spécialistes du scanning, mais on part souvent dans un déballage technique visant surtout à justifier des honoraires, avec des exigences irréalistes (très haute résolution sur chaque station, précision de 2mm sur l'ensemble du site...). Ci-dessous, je vous donne les clés pour bien effectuer une consultation pour du scan d'installation industrielle. Je ne vais pas m'aventurer dans les bâtiments du patrimoine ou la topographie, domaines dans lesquels je suis moins pertinent.
2.1 - Le périmètre à couvrir
Faites un estimatif de la surface à couvrir. S'il y a des plateformes, additionnez les surfaces.
Si vous avez besoin d'effectuer le scan de plusieurs zones séparées (intérieur - extérieur - combles - différentes zones de production) il faut veiller à ce qu'elles puissent être rattachées les unes aux autres. En effet, imaginez avoir besoin de relever une zone process et les combles situés au-dessus, mais que pour atteindre les combles, il faut sortir, faire 100m, monter une échelle à crinoline, puis rejoindre les combles. Cela induit une vraie complexité pour l'opérateur de scanning, avec de nombreuses stations de jonction, voire un recours à une station totale. L'accessibilité entre les zones est donc un point important.
Très utile pour la consultation: si possible, transmettre des photos et d'éventuels plans existants (même s'ils sont obsolètes). Cela permet de mieux estimer le travail à effectuer.
Ne soyez pas trop restrictif en pensant faire une économie. L'expérience m'a souvent montré que des zones non prévues avaient finalement besoin d'être capturées. Par habitude, je scanne toujours un peu plus que prévu, au cas où... Mais mieux vaut anticiper.
2.2 - La densité des zones
Il faut préciser la densité technique - ou l'encombrement - des zones. Plus le volume est rempli, plus il faudra de stations de scanning.
Un entrepôt totalement vide de 5000m² peu être scanné en moins de 2h. S'il y a des racks partout, cela peut facilement tripler la campagne. Les échafaudages sont également des éléments qui compliquent une campagne.
Un indicateur: si je considère les scans que j'ai réalisés sur plusieurs dizaines de milliers de m² d'installations industrielles au cours de ma carrière, j'arrive à une moyenne de 1 station de scan pour 10 à 15 m² de surface (sachant que j'utilise un scanner terrestre). C'est une moyenne entre des zones très techniques et des zones peu denses. Dans des locaux de production (énergie, process) il n'est pas rare de devoir réaliser 2 stations à 1m l'une de l'autre.
Pour une salle des compresseurs frigorifiques, je suis régulièrement à une station pour 8m².
2.3 - Sécurité, coactivité, conditions sévères
Il faut préciser si les zones sont soumises à des risques particuliers, et si du personnel est présent durant la campagne. Cela peut significativement freiner une campagne. Parfois, mieux vaut scanner de nuit ou le weekend, quand le matériel est à l'arrêt et quand le personnel est absent.
En agroalimentaire, des zones sont régulièrement lavées à grande eau. Il serait dommage qu'un scanner à 45k€ se fasse asperger.
Les vibrations importantes du sol peuvent aussi dégrader la qualité de capture (la tête du scanner va bouger).
Les scanners ont également une plage de températures d'utilisation. S'il faut scanner une chambre froide à -20°C, la plupart des scanners vont rendre l'âme, sauf à les maintenir à bonne température.
Une atmosphère remplie de poussière ou de vapeur sera aussi un problème, qui conduira à des données absentes ou déformées. La poussière (cimenteries, silos) peut quant à elle endommager l'aération du scanner, se déposer sur les optiques, ou s'incruster à l'intérieur.
2.4 - Les éléments à scanner
Une zone peut être très dense, mais vous pouvez avoir uniquement besoin du génie civil, et pas du détail de chaque équipement. C'est par exemple le cas si une zone doit être réaménagée.
Il faut donc spécifier ce dont vous avez besoin (génie civil, structures, équipements, tubes avec diamètre minimum à capturer), et la précision requise.
Essayez aussi d'anticiper les autres besoins éventuels, car tant que l'opérateur est sur place, cela ne représente souvent pas beaucoup de travail en plus d'aller capturer quelques dizaines de m² supplémentaires.
Si vous avez besoin d'un modèle 3D (CAO / BIM) il est impératif d'avoir une bonne densité de capture pour atteindre le niveau de détail requis. Les modeleurs ont les pires difficultés à modéliser des éléments capturés avec trop peu de points ou trop partiels. Il vaut donc mieux effectuer trop de stations que pas assez.
Si la campagne est dans un référentiel local non géoréférencé, précisez l'origine et l'orientation. Par exemple, définir un coin du bâtiment comme le (0,0), et définir un mur comme étant l'orientation en X ou Y. Cela vous permettra de travailler avec des éléments correctement orientés à l'écran.
2.5 - Scanner en couleur ou en intensité
Le scanning couleur, surtout en mode HDR, a actuellement clairement la préférence de nombreux clients. Toutefois, cela conduit à des campagnes plus longues, à des données plus lourdes, et il peut y avoir des ratés en photo (une personne passe devant le scanner lorsqu'il prend des clichés). Cela nécessite de passer plus de temps par station, et de parfois refaire des stations ou les photos. Mais les scanners progressent et le scan couleur va de plus en plus vite.
Le scanning en intensité rend les éléments visibles même dans l'obscurité (le laser fonctionne dans le noir complet).
Il permet aussi de révéler des éléments invisibles à l'oeil nu (reprise de peinture, ponçage, rebouchage...).
Dans les zones très sombres, comme les combles techniques, si vous voulez du scanning couleur, il faut un bon éclairage. Sinon, le scanner prendra des clichés dans la pénombre.
Certains scanners incluent aussi l'imagerie thermique (option chez Z+F).
2.6 - Modélisation
Le résultat d'une campagne de scanning 3D est un nuage de points pouvant comporter plusieurs milliards de points. Or, lorsque vous voulez concevoir une nouvelle installation, vous avez besoin de pouvoir travailler avec les outils classiques CAO / BIM. Dans ce cas, il faut transformer les nuages de points en modèle 3D.
Vous devez alors être vigilant sur ce que doit contenir la maquette: plus vous demanderez de détails, plus elle sera chère et longue à réaliser. J'ai connu des projets qui ont nécessité plusieurs mois de modélisation, alors que le relevé sur site n'a duré qu'une semaine.
Le choix du type de modèle (CAO, BIM) dépend de vos habitudes et de votre politique de gestion de vos maquettes. Le BIM prend de l'ampleur en industrie, mais la CAO classique fait encore pas mal d'adeptes.
Personnellement, j'incite les clients à procéder en 2 étapes, même si cela conduit à 2 devis. La première étape est le scanning. Puis, après avoir examiné les scans à l'aide d'un outil de visualisation, le client pointe les éléments à modéliser et transmet son besoin de modélisation ciblé au prestataire. Cela permet de bien cadrer la prestation et d'éviter la surmodalisation.
Niveau de détail (LOD) des maquettes BIM: vous entendrez souvent parler de ce terme. Les explications risquant de faire fortement augmenter la taille de cette page déjà conséquente, je vous invite à consulter ce lien.
Intelligence Artificielle: des sociétés et des chercheurs travaillent sur des IA capables de segmenter et de classifier les nuages de points. Sur des éléments assez répétitifs et des nuages de points très propres, elles commencent à obtenir des résultats honorables. La plupart des IA connues du grand public travaillent sur des données 2D comme des photos ou des vidéos. La tâche est beaucoup plus complexe lorsqu'il s'agit de nuages de points 3D avec des occlusions et des artéfacts.
Au moment où j'écris, il n'existe pas encore d'IA magique qui transforme automatiquement un nuage de points en maquette CAO / BIM.
2.7 - Que demander dans le devis du prestataire?
Si vous voulez mettre en concurrence des prestataires de scanning (dont moi), veillez à demander les précisions suivantes, faute de quoi les offres ne seront pas comparables:
-
le matériel utilisé,
-
le nombre approximatif de stations prévues et les résolutions (la plus habituelle est 6mm à 10m du scanner, soit environ 40 millions de points par station),
-
mode couleur ou uniquement intensité,
-
exigez toujours qu'on vous fournisse les nuages de points, à raison d'un fichier par station, pas de décimation, fomat e57 (le format le plus neutre, accepté par tous les logiciels de scan). Il existe des visionneuses gratuites et certaines sont en ligne. Demandez à ce que les scans soient bien nettoyés. Ce point est important, sinon le prestataire va garder les scans uniquement pour ses besoins de modélisation, vous délivrer un modèle, et vous perdrez tous les détails hors modèle contenus dans les scans,
-
le montant de la modélisation (CAO / BIM) et ce qu'elle va contenir,
-
délai prévu pour la campagne et la restitution des données.
Si une offre est deux fois moins chère que les autres, et bien c'est comme pour tous les devis de tous les corps de métier du BTP et de l'industrie: il y a un truc qui cloche.
Pensez à aller vérifier les références des entreprises consultées. Ce que je peux dire, c'est qu'en France, il y a moins de 10 sociétés vraiment compétentes en scanning industriel.
3 - Le matériel
Plus haut, j'ai abordé les besoins que vous pouviez avoir. Je vous donne ici quelques indications sur le matériel, avec ses avantages et ses inconvenients.
3.1 - Les scanners terrestres (sur trépied)
Cela reste selon moi l'outil roi pour le scanning industriel. Précis, que ce soit en mesure ou en nivellement, et délivrant des données denses et adaptées à l'examen de détails et à la modélisation, cela reste l'outil de prédilection.
Principe:
Ce type d'équipement comporte une cellule d'émission laser, un miroir rotatif, incliné à 45°, et une tête également rotative, sur l'autre axe. Lorsque l'appareil tourne, le faisceau frappe le miroir et est envoyé dans toutes les directions, et se réfléchit sur les surfaces. Le principe est celui du télémètre laser, mais là, plusieurs centaines de milliers de points (voire plus d'un million) sont capturés par seconde. Chaque point est enregistré avec ses coordonnées xyz. A la fin d'une station, ce sont plusieurs dizaines de millions de points qui sont capturés: c'est ce qu'on appelle un nuage de points 3D. Chaque station capture ce qu'elle a dans son champ, jusqu'à la portée maximale du scanner (de quelques dizaines à plusieurs centaines de mètres). Il faut ensuite déplacer le scanner à un autre endroit pour couvrir les zones non couvertes par les stations précédentes.
Le travail suivant consiste à recaler les stations entre elles. Les derniers scanners permettent de pré-recaler sur site, mais il faut affiner une fois de retour au bureau. Les scanners peuvent aussi prendre des photos, ce qui conduit à un nuage de points photoréaliste. Une vidéo explicative (crédits: Leica) est donnée plus bas.
Il y a différentes marques concurrentes délivrant des données de qualité: Faro (série S et Premium), Leica RTC 360, Leica séries P, Zoller & Fröhlich (5016, 5010), Trimble TX7-8-9-FX, Riegl VZ-400i, Surphaser.
La précision est souvent inférieure à 3mm et le nivellement très précis, utile pour obtenir une campagne de niveau et pour contrôler l'horizontalité.
Le Leica BLK 360 est plus compact, plus léger, délivre des données honorables, mais malgré tout en retrait par rapport aux scanners ci-dessus.
Une donnée est aussi à prendre en compte: le bruit numérique. Un bruit important va donner un aspect granuleux à une surface lisse. Sur les petits tubes, cela peut conduire à des erreurs de détection de diamètre.
La plupart des scanners embarquent différents capteurs annexes (altimètre, boussole, GPS) mais ils sont peu précis. Le GPS interne du scanner ne permet pas de géoréférencer (en tout cas, pas au moment où j'écris).
3.2 - Les scanners mobiles
Il est, depuis quelques années, possible de scanner en se déplaçant. Mais on comprend aisément que la précision va se dégrader, car les données doivent se positionner en temps réel durant le trajet. Les nuages de points sont également moins denses.
Point de vigilance: ne vous fiez pas aux vidéos Youtube vous montrant de belles zones techniques scannées au scanner mobile. Bien souvent, ce sont des zones avec des réseaux à fort diamètre (tubes > DN200 de sites gaziers ou de traitement de l'eau), et on ne vous montre pas le résultat sur les éléments plus fins.
Toutefois, le matériel a bien progressé. Pour des bâtiments classiques avec peu de détails et des zones peu techniques, ce type de scanner peut prendre l'avantage sur le scanner terrestre du fait de sa facilité de mise en oeuvre.
Marques: Navvis VLX, Leica Pegasus. Ces appareils se portent comme un harnais. Il y a aussi le Leica BLK 2GO et le Geoslam Zeb Revo, que l'on tient à la main.
3.3 - Les hybrides et les smartphones
Les agences immobilières utilisent fréquemment un appareil sur trépied qui peut faire penser à un scanner terrestre, mais c'est davantage un appareil photo 360 avec fonction de mesure basique: le Matterport.
Souvent, les clients sont bluffés par la qualité des photos. La 3D délivrée est généralement montrée de loin, et c'est là que je vous invite à rester vigilant: la qualité 3D est insuffisante, quelle que soit l'utilisation ultérieure. L'incertitude de mesure est proche de 2cm, et les nuages de points trop peu denses. On est davantage sur une première approche, mais pour le projet, il faudra refaire une vraie campagne de scanning.
Cet appareil est en revanche très adapté aux visites virtuelles de biens immobiliers.
Les derniers smartphones embarquent aussi un mode de scan 3D, qui va sûrement progresser. Pour l'heure, on peut surtout l'utiliser de façon personnelle, pour réaménager son mobilier d'intérieur par exemple.
A l'avenir, une bonne piste pour les smartphones sera de combiner la fonction scan 3D avec la capture vidéo, pour des usages en réalité augmentée sur les opérations de maintenance ou de formation.
3.4 - Drones et photogrammétrie
L'usage des drones a littéralement fait un bond en avant ces dernières années.
Ils sont souvent utilisés en association avec un appareil photo et effectuent des campagnes de milliers de photos autour de bâtiments et aussi pour capturer des terrains.
En effet, en combinant des photos d'objets prises sous différents angles, des logiciels spécialisés sont capable de reconstituer une 3D. Il faut toutefois des cibles en complément - capturées à la station totale ou au GPS - afin de pouvoir déduire des coordonnées et des distances (sinon, la photo est adimensionnelle).
Les drones avec photos sont l'outil de prédilection pour les zones extérieures des bâtiments du patrimoine, surtout quand ils sont combinés avec des stations réalisées par scanner terrestre. En industrie, ils sont plutôt utilisés pour les toitures inaccessibles.
Certains drones puissants sont également capables d'embarquer un Lidar pour effectuer du scanning laser aérien.
3.5 - Le matériel complémentaire de géomètre
En cas de besoin de géoréférencement, s'il n'y a aucun clou de géomètre sur site et accès aux coordonnées, on doit ajouter des points GPS en complément de la campagne de scanning 3D. C'est un GPS professionnel qui est alors utilisé, et qui permet une précision centimétrique.
Il peut également être nécessaire de faire une prestation à la station totale en complément du scanning 3D. En effet, dans le scan 3D, les stations sont réalisées et recalées de proche en proche. Si on doit scanner une longue route, il y aura une déviation, les incertitudes de mesures s'accumulant au fil des stations.
La station totale, du fait de sa haute précision sur de longues distances, permet de remettre la campagne de scanning dans les clous.
3.6 - Les limites du scanning 3D
On peut scanner beaucoup de choses avec un scanner laser, mais tout appareil a ses limites.
Ce qu'on ne peut pas scanner:
-
le verre (sauf à l'opacifier), les liquides. Le faisceau laser passe à travers...
-
les éléments au travers de la vapeur d'eau, la poussière dense: on ne peut pas scanner au travers, le faisceau laser étant en grande partie absorbé.
-
les objets en mouvement*: cela conduit à des trainées de nuages de points inexploitables au niveau mesure (mais cela peut être artistiquement intéressant). Cela produit un peu le même effet que des phares de voiture dans une photo de nuit: on voit une trainée lumineuse.
-
l'intérieur de la matière. Cela peut paraître évident, mais quand on ne connaît pas, on pense aux scanners médicaux. Les scanners utilisés en construction capturent la surface. Vous n'aurez pas la 3D des réseaux enfouis ou cachés par un mur.
*il existe maintenant de la capture 3D d'objets en mouvement, mais c'est très spécifique. On utilise pour cela des dizaines d'appareils photos synchronisés et placés dans une sorte de cage. On peut alors capturer en 3D des sportifs effectuant des mouvements.
Ce qui est très difficile à scanner:
-
les surfaces réfléchissantes comme l'inox. Si la surface a un peu vécu et s'est couverte d'un léger voile, on peut y arriver. Mais l'inox poli est un vrai miroir, et le laser va en fait scanner les reflets et non l'objet. On se retrouve avec des nuages de points perdus dans l'espace, inutilisables et peu esthétiques.
-
les éléments très fins (tubes capillaires, câbles). On obtient au mieux un filet de points, mais une détection du diamètre est souvent impossible,
-
les surfaces extrêmement sombres donnent aussi des résultats peu qualitatifs. En effet, le scanner fonctionnant par réflexion du faisceau, ce dernier est fortement absorbé par les surfaces sombres, et le retour au capteur est faible.
-
la glace: le faisceau va pénétrer dans la couche superficielle, et le retour au capteur ne sera en général pas bon. Le scanning en intensité donne d'ailleurs des nuages de points presques noirs sur des surfaces givrées pourtant blanches! Si on a scanné en mode couleur, cela va cacher la misère, mais la mesure reste assez médiocre.
-
scanner des éléments sous la pluie: la faisceau laser risque de ne pas arriver à destination car absorbé, donnant un résultat partiel. Les surfaces détrempées ne seront pas correctement - voire pas du tout - scannées.