L’avenir des géomètres topographes

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L'évolution des outils des géomètres change leur profession.

L’avenir des géomètres topographes

La démocratisation des scanners laser 3D et l’arrivée sur le marché d’outils de numérisation 3D mobiles conduit à redéfinir de fond en comble l’activité historique des géomètres-topographes.

Face à ces nouvelles techniques d’arpentage, c’est toute une profession qui doit se redéfinir.

Regardez un devis de géomètre : vous constaterez que les prestations sont généralement facturées à la “journée d’intervention”. La valeur intrinsèque de l’activité de topographe est donc directement liée au temps de travail humain passé sur site. C’est la norme implicite de la profession. Les clients se sont donc habitués à associer le temps qu’un géomètre passe sur site au montant de sa prestation : mission longue = coût élevé, mission courte = coût réduit.

Mais les ”nouveaux arpenteurs” renversent la table. Un scanner laser 3D peut relever plusieurs millions de points par seconde, en une seule station. Un drone peut atteindre des points inaccessibles à un humain.

L'évolution des outils des géomètres change leur profession.

L’évolution des outils des géomètres change leur profession.

Alors, que vaut encore le travail d’un géomètre à l’ère de la capture 3D de la réalité ?

Vers un bouleversement du métier de topographe

La durée d’intervention d’un géomètre topographe sur le terrain n’est pas extensible à l’infini. Or, relever un terrain en collectant des données point à point, avec des déplacements de l’opérateur entre chacun d’entre eux, prend du temps.

Il est donc demandé aux topographes de visualiser la géométrie d’une scène pour être capable de ne relever que les points les plus “caractéristiques”.

En clair, à défaut de pouvoir “tout” relever, un bon topographe doit être capable de relever les 20% de points qui définissent 80% de la géométrie d’une scène (la fameuse Loi de Pareto). Il s’agit donc de faire le choix de sacrifier certaines informations pour réduire le temps humain d’arpentage.

Or, les technologies de numérisation 3D imposent un changement radical de paradigme : la cadence de collecte d’informations spatiales offerte par la lasergrammétrie et la photogrammétrie sont telles que la limite n’est plus le nombre de points qu’il sera possible de collecter, mais les capacités informatiques qui seront nécessaires à leur traitement.

Alors, que vaut encore le travail d’un géomètre topographe à l’heure où les technologies lui permettent de relever en une seule seconde ce qu’il aurait mis plusieurs semaines à relever avec des méthodes traditionnelles ?

La question amène bien des réponses possibles.

De notre point de vue, nous préférons considérer que la rémunération des géomètres topographes ne doit absolument pas être une variable d’ajustement à revoir à la baisse.

Leur rôle reste essentiel, car la profession a besoin d’un garant de la qualité des relevés, quelque soit la technique d’arpentage employée.

A défaut de payer moins cher, les clients des géomètres doivent bénéficier pleinement des avantages apportés par les méthodes de numérisation modernes. C’est donc la valeur des livrables qui doit être revue à la hausse pour justifier un rapport qualité/prix constant. Plusieurs solutions à cela :

  1. Augmenter la quantité et améliorer la précision des informations produites et livrées : plans plus exhaustifs et détaillés,
  2. Créer de nouveaux livrables et accompagner les clients dans leur utilisation : les nuages de points par exemple,
  3. Développer des expériences utilisateurs valorisantes : modèles 3D collaboratifs, services en ligne, visites immersives, etc.
Un panoramique 360° dans un nuage de points

Un panoramique 360° dans un nuage de points permet à l’utilisateur final de prendre des mesures de manière conviviale.

Les bénéfices apportés par la numérisation 3D pour la topographie

Topographie par scanner laser 3D (LiDAR terrestre)

Vous le savez désormais, les scanners laser 3D sont des appareils reposant sur la technologie LiDAR permettant de relever, sans contact, la position dans l’espace de points distants.

Voici des scanners laser 3D, reposant sur la technologie du LiDAR

Voici des scanners laser 3D, reposant sur la technologie du LiDAR

Bien que les scanners laser 3D d’entrée et de milieu de gamme soient des outils totalement pertinents pour numériser les espaces, la capacité de certains LiDAR haut de gamme à intercepter plusieurs échos reste un atout non négligeable dans la numérisation d’espaces naturels, notamment en présence de végétation.

 

En effet, un LiDAR multi-écho a la capacité de récupérer un point pour la goutte de pluie traversée par le laser, puis un pour la feuille de l’arbre également impactée, et finalement un dernier sur le sol. Les logiciels associés à ce type de LiDAR terrestres (scanners Riegl par exemple) ont ensuite la capacité de trier automatiquement les échos :

  1. les premiers échos pourront être considérés comme du bruit : des données à supprimer,
  2. les derniers échos seront attribués au terrain : ils serviront de base à la création d’un Modèle Numérique de Terrain (MNT) ou d’un plan topographique,
  3. tous les échos intermédiaires seront attribués à la végétation.
Pour certaines scènes, les échos multiples permettent d’approfondir la numérisation

Pour certaines scènes, les échos multiples permettent d’approfondir la numérisation

Analysez bien le processus décrit ici, et comparez-le avec ce que vous connaissez du métier de géomètre.

Nous sommes loins de l’époque où l’humain qualifiait lui-même les données récoltées.

Nous avons également vu que d’autres solutions existent pour classifier les données :

Il est évident que ces avantages contribuent à une meilleure valorisation des données, au travers d’une analyse plus poussée de ces dernières.

Création de Modèles Numériques de Terrain (MNT)

Un Modèle Numérique de Terrain (MNT) est une représentation informatique 3D d’un terrain existant réalisée dans le but de mener des analyses. Un MNT servira par exemple de base de travail aux logiciels de calculs de terrassements.

Un MNT prend la forme d’un maillage de faces triangulaires adjacentes dont chaque sommet est défini par des coordonnées X, Y et Z correspondant à la réalité physique d’un terrain existant.

Pour modéliser un MNT, la méthode traditionnelle consiste à missionner un géomètre qui relèvera les points les plus caractéristiques d’un terrain :

  • tête et pied d’un talus,
  • position du mobilier urbain,
  • pied de façade d’un bâtiment,
  • centre d’une bouche d’égout,
  • arête d’une bordure de trottoir,

Traditionnellement, le géomètre relève la morphologie d’un site point à point. Un point équivaut à une information de positionnement sur les trois axes de coordonnées. Pour les objets ayant une géométrie linéaire et formant donc des “lignes de rupture” dans la géométrie de la scène (bordure de trottoir par exemple), un travail manuel visant à relier l’ensemble des points formant cet ensemble est nécessaire.

Ce travail fastidieux est celui du topographe. Des logiciels tels que Covadis ou Mensura permettent de l’aider au cours de différentes étapes. Les points et vecteurs 3D obtenus au terme de ces actions servent alors de base à l’établissement des Modèles Numériques de Terrain.

Plusieurs applications des techniques de numérisation 3D, déclinées en outils, permettent d’obtenir un relevé topographique 3D d’un terrain.

Nuage de points colorisé en élévation, obtenu par photogrammétrie aérienne par drone.

Nuage de points colorisé en élévation, obtenu par photogrammétrie aérienne par drone.

Photogrammétrie et orthophotographies

Nous sommes habitués à faire le tour du monde en trois clics à l’aide de Google Earth et des autres services analogues, et avons l’habitude de considérer que les photos de la Terre sont des photos prises par satellite. C’est pourtant de moins en moins le cas.

Cette façon de voir les choses nous amène parfois à considérer que, pour avoir une vue en plan parfaite d’un terrain, il suffit de regarder sa photo satellitaire ou de prendre une photo vue du ciel par un drone.

Pourtant, aussi réelle soit la photo que nous allons utiliser, la vue que nous aurons prise ne permettra jamais de réaliser des mesures ou des mises en plan fiables en raison du phénomène de parallaxe.

Une vue orthographique ne correspond à aucune réalité physique et ne peut être obtenue que informatiquement.

Une vue orthographique ne correspond à aucune réalité physique et ne peut être obtenue qu’informatiquement.

 

Dès lors qu’une photo est prise, des déformations apparaissent et empêchent de mesurer directement des informations relatives à la distance. La texture photographique appliquée sur le globe dans Google Earth ne saurait être le fruit d’une seule photo, il s’agit en fait d’un assemblage de photographies ayant toutes subi une correction informatique pour atténuer l’effet de parallaxe.

Vouloir produire une image vue en plan correspondant à la réalité parfaite d’un site, en éliminant tous les effets de parallaxe, nécessiterait de prendre une photographie à une distance infinie, grâce à un appareil photo disposant d’un zoom tout aussi infini envoyé aux confins de l’univers.

En réalité, la numérisation 3D est la seule méthode permettant d’obtenir une vue en plan sans aucune distorsion au travers d’une projection orthographique.

Différence entre une vue "ortho" et une vue en perspective.

Différence entre une vue “ortho” et une vue en perspective.

Un ordinateur est capable produire numériquement un point de vue fictif qui ne saurait être visible dans la nature.

Bien qu’existant depuis des décennies, les orthophotoplans n’ont jamais représenté fidèlement la réalité.

Les photographies ont toutes subi des corrections mathématiques pour compenser la distorsion liée à la position non azimutale des satellites ayant procédé à la prise de vue.

La numérisation 3D permet enfin aux géomètres de produire et exploiter de véritables orthophotos, sans aucune déformation artificielle, en ultra haute définition.

Topographie par photogrammétrie

Nous avons déjà expliqué comment la photogrammétrie permet de générer un modèle 3D d’une scène sur la base de simples photographies. Une des applications les plus pertinentes de cette méthode de numérisation 3D appliquée à la topographie consiste à utiliser des drones pour réaliser la prise de vue. On parle alors de photogrammétrie aérienne.

Un drone civil DJI Mavic 2

Un drone civil DJI Mavic 2

Les drones multi-rotors ou sous forme d’aile volante ont la capacité d’offrir un point de vue global et surplombant d’un terrain à relever. Il en résulte une diminution conséquente des zones occluses liées à la présence d’obstacle sur le sol, mais également une facilité d’arpentage accrue.

Les zones dangereuses d’accès ou les surfaces de grande envergure sont complexes à relever si l’on s’en réfère aux méthodes traditionnelles de topographie . Les drones présentent cet avantage évident de ne pas être dépendants de ce type de conditions.

L’emploi de drones équipés de capteurs photo-performants couplés à des outils de création de plans et de séquences de vol automatisées, facilite les relevés 3D des terrains.

Etablissement d'un plan de vol via l'application Pix4D pour smartphone

Etablissement d’un plan de vol via l’application Pix4D pour smartphone

Mais la photogrammétrie présente deux faiblesses majeures pour la topographie.

Premièrement, elle a tendance, selon la quantité et la résolution des photos, à “adoucir” les arêtes des objets. Une arête bien saillante dans la réalité le sera beaucoup moins sur un modèle photogrammétrique si le nombre de pixels caractéristiques n’est pas suffisant sur les photos.

Ce mur relevé par photogrammétrie avec une résolution trop faible semble adouci.

Ce mur relevé par photogrammétrie avec une résolution trop faible semble adouci.

Secondement, la photogrammétrie n’aime pas la végétation. Un arbre est un objet très complexe à comprendre pour les logiciels de photogrammétrie. Rien ne ressemble plus à une feuille d’arbre… qu’une autre feuille du même arbre. Or la photogrammétrie repose justement sur la détection d’éléments caractéristiques (le terme anglais “patterns” est souvent employé) communs entre les photos. De plus, une feuille d’arbre est rarement statique, en raison des mouvements d’air. Or, la photogrammétrie impose que la scène soit statique.

Moyennant l’emploi de capteurs de bonne qualité et une méthodologie adéquate, la photogrammétrie est donc une solution clairement adaptée à la numérisation 3D de sites :

  • peu végétalisés : plage, route, etc.
  • sans reflets, d’aspect “minéral” : monument historique, carrière, etc.
  • complexes d’accès : falaises, zones avec risque d’éboulement ou sinistrées, etc.

Topographie par Mobile Mapping System (MMS)

Les techniques de numérisation mobile que nous avons vues précédemment reposent sur la combinaison de plusieurs technologies :

  1. Le SLAM : des centrales inertielles capables de retracer les mouvements de l’arpenteur tout au long de ses déplacements,
  2. Le LiDAR mobile : un peigne de plusieurs faisceaux laser dans une tête rotative, qui balayent la scène pour récupérer en temps réel la distance des points impactés,
  3. La photo : des capteurs à 360° permettent de coloriser les nuages de points et d’ajouter des bulles photo-panoramiques aux données 3D.

Ces technologies sont embarquées dans divers types d’équipements :

  • des sacs à dos (backpack),
  • des appareils de “poing”,
  • des équipements destinés à être véhiculés
4 solutions de mobile mapping

4 solutions de mobile mapping

Dans le cadre d’application topographiques, ces appareils présentent des avantages incontestables :

  1. Capacité à se situer même sans signal GPS grâce à la centrale inertielle, moyennant toutes les limites que cela implique et dont nous avons déjà parlé,
  2. La numérisation en mouvement permet d’arpenter bien plus rapidement les zones à relever en 3D,
  3. La compacité et la facilité d’utilisation de ces appareils les prédestine par nature à des applications topographiques.

Les nuages de points obtenus cette fois-ci par lasergrammétrie, les limites alors évoquées dans le cadre de la photogrammétrie ne sont plus bloquantes. En revanche, il s’agit ici d’appareils terrestres, qui ne permettent donc pas d’obtenir des vues aussi intéressantes que des photos prises par un drone.

De plus en plus d’entreprises se tournent donc vers l’intégration des technologies de mobile-mapping à des drones.

Topographie par LiDAR aérien

Le taux de croissance annuelle du marché des LiDAR sous drone est évaluée à 35,2%.

A ce rythme, il suffit de 8 ans pour que le marché soit multiplié par 10.

Une telle frénésie d’investissements de la part des entreprises traduit une confiance exceptionnelle en la capacité des LiDAR sous drones à permettre un excellent retour sur investissement.

Et pour cause : il s’agit probablement de la meilleure combinaison actuellement imaginable des technologies les plus en pointes. Les drones apportent la capacité d’aller où l’humain ne va pas, et les technologies de mobile-mapping combinées au LiDAR permettent de voir ce que l’humain ne voit pas.

Un LiDAR YellowScan VX-20 sous un drone DJI Matrice 600

Un LiDAR YellowScan VX-20 sous un drone DJI Matrice 600

Les LiDAR aériens existent et sont employés depuis bien longtemps. C’est seulement l’amélioration de leur compacité qui permet désormais de ne plus recourir à des avions pour les véhiculer, rendant ainsi possible leur intégration à des appareils télépilotés tels que les drones.

Ne tournons pas autour du pot : il s’agit à l’heure actuelle de la meilleure technique de numérisation 3D envisageable à des fins topographiques.

Est-ce que les géomètres seront bientôt tous remplacés par des LiDAR sous drones ? Probablement pas, car certaines limites demeurent.

  1. Un drone n’est pas un outil adapté à la numérisation intérieure,
  2. Les technologies de mobile-mapping SLAM produisent des nuages de points assez “bruités”.
Nuage de points obtenu avec un LiDAR sous drone

Nuage de points obtenu avec un LiDAR sous drone

Le LiDAR étant en mouvement permanent, la centrale inertielle a pour mission de corriger les données en fonction des accélérations perçues sur plusieurs axes. Mais il en résulte encore actuellement, et comme pour toute méthode de mobile mapping, une des données ayant une certaine “épaisseur”. Par exemple, les points relevés sur la face d’un mur ne formeront pas un plan parfait, mais plutôt une galaxie de points dont la augmente au fur et à mesure qu’on s’approche de la position réelle de la face du mur.

Faut-il pour autant conclure à un “manque de précision” des LiDAR sous drone ? Cela reviendrait à fermer les yeux sur les approximations résultant de la sélection arbitraire des points à relever qui est actuellement faite par les géomètres employant des matériels traditionnels.

Le monde de la topographie a beaucoup à gagner avec les techniques de numérisation 3D.

Clément VALENTE

Expert en construction numérique

4 Commentaires
  • SIMH Isabelle-Ericka
    Répondre
    Posted at 12 h 35 min,19 mars 2019

    Magnifique article! Mais nous savons que certes les géomètres topographes vont beaucoup s’adapter car les méthodes changent radicalement mais nous avons toujours besoin de ce métier fiable pour garantir la bonne manipulation et le bon traitement de ces dites données

  • Posted at 22 h 41 min,7 avril 2019

    Je vous félicite pour cet article vulgarisateur – dans le bon sens du terme – sans pour autant tomber dans le travers de l’approximatif. L’approche “big data” de l’acquisition de la donnée à l’origine de l’information géographique est effectivement l’évolution majeure qui va impacter (voire impacte déjà) la profession. D’énormes progrès restent à accomplir afin de tirer pleinement partie de la richesse de détails exploitables à partir du nuage de points notamment. Je salue également votre questionnement quant à la difficulté à déterminer une échelle de valeurs pour la production de ces données: un relevé aérien par drone de 100 ha ne prend pas 10 fois plus de temps à produire qu’un relevé de 10 ha, le ratio se situe plutôt dans un rapport de 2 ou 3. Sachant que 100 ha peuvent tout à fait être relevés avec une précision de 5 cm en une journée de terrain – mais largement plus de travail d’interprétation au bureau – les modes habituels de facturation s’en trouvent bouleversés. Cela ouvre néanmoins des opportunités considérables: le coût de l’information géographique diminuant, celle-ci peut acquérir une place beaucoup plus importante dans les processus décisionnels, où elle restait jusqu’à présent cantonnée à un rôle plutôt secondaire.

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