Réalisation d une application dédiée à l inspection des tunnels au sein du logiciel 3DReshaper.

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1 Institut National des Sciences Appliquées Mémoire de soutenance de Diplôme d Ingénieur I.N.S.A. Spécialité Topographie Réalisation d une application dédiée à l inspection des tunnels au sein du logiciel 3DReshaper. Projet soutenu le 14 Mars 2013 par Jennifer Ludwig. Réalisé au sein de l entreprise : TECHNODIGIT 444, rue des Jonchères GENAY Tél. : Web: Directeur de PFE : Correcteur : M. Gilles Monnier, Ingénieur développement Responsable R&D Technodigit, Genay M. Emmanuel Alby, Maître de conférences, INSA Strasbourg

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3 Avant-propos Ce mémoire présente les recherches et travaux effectués pendant les quatre mois de mon Projet de Fin d Etudes (P.F.E.) dans l entreprise Technodigit, développant le logiciel 3DReshaper Application. La majeure partie du temps de ce projet a été consacrée à la programmation de nouvelles commandes pour le logiciel 3DReshaper, dont les développements sont détaillés dans ce mémoire. Ceux-ci ont été réalisés en utilisant le langage C++* 1. Ce Projet de Fin d Etude a fait suite à un premier stage de six mois dans cette même entreprise qui m a permis de découvrir le langage C++ et les bases de son utilisation, alors inconnues pour moi. Avec l évolution des méthodes de mesures topographiques, les développements informatiques sont aujourd hui devenus indispensables dans ce domaine. J ai donc choisi de faire ce stage en partie pour découvrir comment était développé un logiciel tel que 3DReshaper. Pendant ce premier stage, j ai étudié les inspections de formes tubulaires de manière générale, à travers des applications diverses (stents médicaux, tuyaux, tunnels, etc ). J ai pu ainsi apprendre à programmer des outils pour 3DReshaper Application. En réalisant une commande simple en termes de développement (Commande d Extrusion), j ai appris à utiliser la SDK* de 3DReshaper, ainsi que le logiciel Microsoft Visual Studio 2008 dans lequel est effectuée la programmation. Ce premier stage s est donc avéré extrêmement bénéfique pour la réalisation de mon P.F.E. car il m a permis pendant les quatre mois de P.F.E. de me consacrer entièrement au sujet avec une certaine autonomie, sans être trop régulièrement bloquée par des questions de programmation que je ne maîtrisais pas auparavant. Dans ce mémoire, j ai choisis de ne pas montrer de parties du code que j ai réalisé, car il n est qu un moyen utilisé pour réaliser ce projet. Une certaine part du code que j ai écrit concerne par exemple la gestion des différentes options de la boîte de dialogue, ce qui n a pas d intérêt particulier pour le sujet. Par contre les algorithmes et les fonctions* que j ai développés et qui sont utiles aux traitements principaux réalisés par les commandes seront expliqués. L apprentissage du C++ fut un défi pour moi. Ce projet m a permis d aller au-delà des connaissances topographiques que nous avons acquises à l INSA pendant ces années d études, en les utilisant à travers de nouvelles techniques. 1 Tous les mots suivis d un * renvoient à une définition dans le glossaire se trouvant à la fin du mémoire. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 3/59

4 Remerciements En premier lieu, je tiens à remercier M.Pascal Lefèvbre-Albaret, directeur de Technodigit, pour m avoir permis de réaliser ce Projet de Fin d Etudes au sein de la société Technodigit ainsi que pour ses précieux conseils pendant tout ce stage. Je souhaite remercier plus particulièrement Gilles Monnier, mon directeur de P.F.E. pour sa disponibilité et son implication dans ce projet. Je remercie également Frédéric Viallet, tuteur de mon premier stage chez Technodigit, qui a consacré du temps à m apprendre les bases de la programmation en C++* et l utilisation de la SDK* de 3DReshaper. Pour finir, j adresse naturellement des remerciements à l ensemble des employés de Technodigit pour le bon accueil qu ils m ont fait dans leur entreprise. Ils ont tous fait preuve d une grande disponibilité et leurs conseils en programmation ont été d une aide précieuse pendant cette année passée à leurs côtés. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 4/59

5 Sommaire Avant-propos... 3 Remerciements... 4 Introduction Etat de l inspection des tunnels Le marquage Les désordres Méthodes d inspection des tunnels Méthodes classiques Evolutions Modélisation 3D et restitution des résultats Solutions existantes Logiciel TMS (Tunnel Measurement System) Autres solutions Etat du projet et cahier des charges Etudes de fichiers et données types Définition des besoins Traitements possibles dans 3DReshaper Création de sections Comparaison / Inspection Impressions Cahier des charges Développements Extraction automatique d axe neutre Création de profils en travers Création à partir d un nuage de points Choix des PM Plan des profils Exemple de résultat Règle de nommage Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 5/59

6 3.3 Visualisation des profils en travers Affichage du nom des profils Multi-vue Commande de mise en plan des profils en travers Comparaison de profils en travers Affichage des cotes Couleurs de l inspection Options diverses Impression des résultats Paramétrage de l impression Principe de fonctionnement Impressions à l échelle Analyse des résultats Finalisation Applications Temps d exécution Développements à poursuivre Conclusion générale et perspectives Glossaire Vocabulaire topographique et tunnelier Vocabulaire informatique Table des illustrations Bibliographie Sommaire des annexes Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 6/59

7 Introduction L utilisation des scanners lasers dans le domaine du Génie Civil et de la Topographie s est largement généralisée ces dernières années, entraînant une évolution des méthodes classiques de levers et de traitements des données (Chazaly, 2006). Les récents scanners lasers peuvent permettre de lever points à la seconde (Leica, 2006). Ainsi s est développé le besoin d utiliser des logiciels de plus en plus performants en termes de gestion et de manipulation pour traiter ces données. Le logiciel 3DReshaper, développé par la société Technodigit, se concentre sur cet aspect, en proposant des outils efficaces de traitements de nuages de points issus de scanners lasers et de modélisation 3D. L entreprise développe une librairie SDK* (3DReshaper Librairie SDK) ainsi que le logiciel 3DReshaper Application, vitrine de cette SDK. Technodigit a été créée en 1996 par M. Pascal Lefèvbre-Albaret, toujours dirigeant aujourd hui. Depuis 2009, elle fait partie de la division métrologie du Groupe Hexagon, leader mondial dans le domaine de la mesure 3D. L entreprise est basée à Genay, au Nord de Lyon. C est une SARL au capital de 5000 euros qui compte treize personnes. Ses domaines d'intervention sont très variés et elle possède des clients et partenaires dans le monde entier. Le logiciel et la SDK sont utilisés dans les domaines du médical, de la topographie, de l archéologique, de la réalité virtuelle, de l automobile, de l aéronautique ou encore du design industriel. Néanmoins, près de trois quart du marché concerne le domaine de la topographie. L entreprise souhaite donc développer des outils plus spécialisés aux travaux topographiques afin de répondre aux besoins de ses clients. Ce projet concerne l inspection d ouvrages d art, plus particulièrement l inspection de tunnels et de toute excavation de forme tubulaire type galerie ou grotte. Son intitulé est le suivant : «Réalisation d une application dédiée à l inspection des tunnels au sein du logiciel 3DReshaper.» Certains traitements nécessaires à l'inspection et le contrôle de tunnels sont déjà réalisables dans 3DReshaper. Mais ils ne sont pas spécifiques à une application pour les tunnels et présentent des aspects non adaptés à cette utilisation. De plus, ils requièrent souvent une répétition d actions, ce qui peut rendre certaines tâches fastidieuses. La problématique de l étude consiste donc à développer de nouvelles commandes spécifiques à l inspection des tunnels pour le logiciel 3DReshaper, permettant des manipulations aisées pour l utilisateur. Les commandes concerneront l'inspection du tube principal du tunnel et ne seront pas spécifiques au contrôle des éléments annexes tels les têtes*, les niches* ou les équipements. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 7/59

8 L objectif principal de ce projet est d automatiser au maximum les traitements nécessaires à l inspection des tunnels dans 3DReshaper. Le but est de développer des outils qui font appel le moins possible à l utilisateur, tout en lui permettant de générer des résultats dans un temps minime, afin de lui faciliter au mieux les traitements. Pour cela, tous les outils et fonctions* déjà existants dans le logiciel et dans la SDK pourront être utilisés ou modifiés, et de nouveaux éléments seront développés. Du point de vue «utilisateur», les développements effectués durant ce projet consisteront en de nouvelles commandes, intégrées à un plugin* Topographie complémentaire à 3DReshaper dont le lancement est prévu pour début Ce module contiendra également des commandes créées par d'autres développeurs, dédiées à d autres travaux topographiques. Ce rapport présente les différentes étapes et études nécessaires à la réalisation de ce projet. Premièrement, une étude sera effectuée sur la structure des tunnels et les techniques classiques et actuelles d inspection. Ceci permettra d en cerner tous les enjeux et de répondre au mieux à la problématique. Dans une deuxième partie, un bilan sera fait des outils existants dans le logiciel pouvant servir à procéder aux traitements sur tunnels afin d en connaître les avantages et inconvénients pour ce type de travaux. Ceci permettra également de déterminer quels sont les outils manquant et les améliorations à apporter. A partir de ces conclusions, un cahier des charges sera établi pour cadrer les développements de ce projet. Les développements effectués seront ensuite exposés en détaillant les choix effectués et les fonctions mises en œuvre pour chaque commande développée. Puis les résultats des développements effectués durant tout le projet seront analysés. Pour finir, une synthèse de l ensemble du projet sera faite, suivie d un bilan des développements restant à effectuer ainsi que des idées de nouveaux outils à développer. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 8/59

9 1. Etat de l inspection des tunnels Les tunnels, comme tout ouvrage d art, sont soumis aux évolutions des terrains naturels et à un vieillissement. Ils nécessitent donc une surveillance périodique adaptée afin de permettre leur usage dans de bonnes conditions de sécurité (CETU, 2012). Les documents pouvant servir de références pour les professionnels des travaux souterrains sont nombreux, notamment grâce aux publications de deux importantes institutions : le Centre d Etudes des Tunnels (CETU) et l Association Française des Tunnels et de l Espace Souterrain (AFTES). Les paragraphes suivant vont donc naturellement faire référence à plusieurs de leurs travaux. Une présentation plus détaillée de ces institutions et de leurs travaux majeurs est faite en Annexe 1. Dans cette première partie de mémoire, nous allons faire un point théorique sur les notions essentielles à la compréhension et la mise en œuvre de notre projet. Tout d abord nous apprendrons l importance du repérage dans un tunnel, puis quelles sont les «anomalies» qui doivent être détectées lors d une inspection. Ensuite, les méthodes d inspection seront parcourues historiquement. Pour finir, nous traiterons des formes de restitution de résultats utilisées. 1.1 Le marquage Un aspect primordial de la construction et de l inspection des tunnels est le système de repérage à l intérieur du tunnel. Comme le présente le CETU dans le Guide de l inspection du génie civil des tunnels routiers [2011], le marquage physique du tunnel est indispensable au repérage précis des éléments du tunnel pour tous les types de travaux. Les repères* sont appelés «points métriques» et notés «PM». Ils sont calculés à partir de l axe neutre* du tube et placés de manière pérenne sur une des parois. Le CETU préconise un espacement régulier de 10 mètres afin que le marquage soit repérable rapidement. Ce marquage permet de définir un tronçonnage du ou des tubes composant un tunnel et ainsi de diviser l ensemble du tunnel en parties homogènes. Un repérage unique est donc mis en place dans le tunnel pour tous les corps de métier ayant à y œuvrer. 1.2 Les désordres Comme précisé dans l introduction de ce document, le type d inspection auquel nous allons nous intéresser durant ce projet ne concerne que les tubes des tunnels, et pas les ouvrages connexes tels les têtes* ou les niches*. Le but de l inspection d un tunnel est de détecter des éventuels problèmes, de les identifier et de les mesurer pour pouvoir y faire face et les corriger. Ces problèmes pouvant affecter des éléments ou des parties du tunnel sont couramment appelés Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 9/59

10 «désordres». Le CETU, dans son Guide de l inspection du GC des tunnels routiers [2001], définit la différence entre «défaut» et «désordre» par le fait qu un désordre présente une évolution, tandis qu un défaut est «une imperfection ponctuelle ou systématique, le plus souvent acquise lors de la construction». Dans le cas de notre étude nous nous intéressons aux deux, car elle peut concerner autant des inspections de tunnels achevés que des tunnels en construction. En effet, pendant la construction, le tunnel est vérifié entre deux étapes afin de s assurer que tous les éléments ont été construits correctement et correspondent au cahier des charges. Dans le cas d un tunnel revêtu, les topographes peuvent être amenés à vérifier l épaisseur de la couche de béton projeté sur la paroi du tunnel (AFTES, 2001). Les désordres à observer diffèrent suivant que le tunnel comporte un revêtement ou non (AFTES, 2005). Cela dit, il est convenu que les développements effectués pour ce projet ne permettront pas de définir les désordres, mais plutôt d apporter des outils de traitements permettant par la suite au topographe d identifier les désordres. Le Catalogue des désordres en ouvrages souterrains édité par l AFTES (Recommandations de l AFTES, 2005) décrit l ensemble des désordres pouvant affecter un tunnel. Il nous apprend notamment que les types de désordres pouvant affecter le tube d un tunnel et pouvant être détectés par mesures topographiques, concernent principalement des déplacements et déformations à la paroi. Il nous faut étudier comment sont menées ces mesures topographiques afin de connaître le type de données à partir desquelles les traitements devront être effectués pour notre projet. 1.3 Méthodes d inspection des tunnels Selon l AFTES [2005], les désordres mesurables par méthode topographique concernent des déplacements et déformations à la paroi du tunnel. Une autre recommandation de l AFTES, intitulée Méthodes d auscultation des ouvrages souterrains (AFTES, 2005), décrit les méthodes d auscultations à appliquer selon les paramètres à mesurer. On y apprend que lors de l auscultation d un tunnel, les mesures topographiques se basent sur le relevé de repères* fixés sur les parois internes. Nous allons étudier quelles sont les méthodes utilisées classiquement selon ces documents de l AFTES, puis nous verrons les évolutions des techniques d inspection Méthodes classiques Les méthodes usuelles décrites par l AFTES consistent principalement en des levers topographiques point par point. Historiquement, les topographes n utilisaient que de simples niveaux lors d auscultation, donc ils n effectuaient que des mesures de nivellement. A partir des années 90, de nouvelles mesures ont été possibles grâce à l utilisation de tachéomètres électroniques. La technique consistait en la mise en Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 10/59

11 station de l appareil dans le tunnel et la visée de cibles réfléchissantes scellées à la paroi. La mise en œuvre de cette méthode, qui pouvait être plus ou moins aisée selon la configuration du tunnel, fut facilitée par l arrivée des stations totales, notamment car elles bénéficient d outils informatiques beaucoup plus développés. Il est à noter que ces recommandations de l AFTES datent de Elles expliquent les améliorations apportées par les stations totales, mais la possibilité d un lever du tunnel par scanner laser n y est pas encore mentionnée Evolutions On constate aujourd hui que les professionnels de la topographie utilisent de plus en plus la technologie du scanner laser pour effectuer tout type de travaux (Chazaly, 2006). Succinctement, le relevé par scanner laser résulte en un ou plusieurs nuages de points, qui peuvent ensuite être traités informatiquement pour en tirer toutes sortes d informations de mesures. Leica Geosystems [2012] affirme que la lasergrammétrie est la technologie adaptée au lever d ouvrages tels que construits, car elle permet un relevé haute définition. Chazaly [2006] montre que ce relevé constitue une sauvegarde numérique de l ouvrage à un temps donné. A travers une description des débuts de la lasergrammétrie appliquée à l auscultation des ouvrages d art, il explique également certains avantages de l utilisation de scanners lasers pour ce type de travaux. De manière générale, ils permettent un lever à haute densité de points, ce qui donne accès à l utilisateur à un nombre de données exceptionnel par rapport à d autres techniques (lever point par point au théodolite). Dans le cas d un tunnel, ce lever donne accès aux données en tout point métrique, et pas uniquement à certains profils levés spécifiquement. Suivant la qualité des données, des profils en travers* peuvent ainsi être générés en tout point du tunnel. Ensuite, ils ont généralement une cadence d acquisition très rapide, de l ordre de plusieurs milliers de points pas seconde. Ceci permet une certaine rapidité d intervention qui est un réel avantage pour les levers d ouvrages d art 1. Enfin, cette technologie donne accès directement aux coordonnées des points en trois dimensions. A priori, aucun calcul intermédiaire n est requis pour importer simplement le nuage de points levés dans un logiciel de traitements. De plus, le nuage de points peut être colorisé : - Soit par les couleurs «réelles» (Rouge, Vert, Bleu) générées grâce à la prise de photographies simultanément au lever par une caméra numérique, - Soit avec un dégradé de couleurs en fonction de la réflectivité de l objet. Les nuages de points, produits du lever par scanner laser, représentent ainsi l ensemble des données nécessaires à l inspection topographique d un tunnel. Ils sont le support de mesures ultérieures, effectuées à l aide de logiciels spécialisés dans le traitement de données 3D. 1 Très utile par exemple dans le cas du lever d un tunnel routier. Il peut n être coupé à la circulation qu un court laps de temps. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 11/59

12 1.4 Modélisation 3D et restitution des résultats Les avantages de la lasergrammétrie pour l inspection d ouvrages d art sont considérables, mais cette technologie comporte également des inconvénients. En effet, les énormes quantités de données que permettent d acquérir les scanners lasers nécessitent du matériel informatique puissant pour être manipulées et traitées (Chazaly, 2006). D où l importance des logiciels de traitements de nuages de points. Avant de pouvoir effectuer des mesures pertinentes à partir des nuages de points levés, les données brutes peuvent nécessiter certains traitements, comme par exemple un nettoyage afin de supprimer les points levés sur des éléments non désirés. Des logiciels spécialisés permettent ces traitements, on peut bien évidemment citer le logiciel 3DReshaper Application développé par Technodigit 1. Ces logiciels permettent également de modéliser en trois dimensions les ouvrages levés en générant un maillage* à partir des points du nuage, afin d obtenir un modèle surfacique de l ouvrage. Celui-ci présente l avantage de filtrer le bruit du nuage de points (points isolés, défauts du levés, ) en ne basant le maillage que sur les «meilleurs» points du nuage, c est-à-dire les plus pertinents. C est donc à partir du modèle surfacique que les mesures peuvent être effectuées. L inconvénient de ces logiciels dans le cas de notre étude, est qu ils ne sont pas spécifiques aux traitements demandés par l inspection de tunnels. Ce sont des logiciels qui généralement visent des traitements plutôt génériques, à l utilisateur d appliquer les traitements proposés à son cas particulier. De plus, comme le souligne Chazaly(2006), les modes de rendus des résultats classiques consistent essentiellement en des représentations en deux dimensions. Les données 3D ne sont pas encore totalement intégrées à la restitution des résultats, bien que les entreprises développant ces logiciels proposent à présent également des «Viewers» (ou «visualiseurs»). Ce sont des logiciels souvent gratuits, permettant à un utilisateur d ouvrir des fichiers générés par le logiciel principal et d y naviguer, afin de faciliter l échange des données 3D entre les professionnels et leurs clients. Comme dit précédemment, les logiciels de modélisation 3D indispensables aux traitements des nuages de points issus du lever par scanner laser ont des applications vastes, et ne proposent pas forcément des traitements tout à fait adaptés à l inspection de tunnels. Nous allons donc parcourir les solutions retenues par les professionnels de la topographie pour les travaux dans ce domaine. 1.5 Solutions existantes Les méthodes utilisées par les professionnels pour traiter les données acquises par scanner laser dépendent principalement du ou des logiciels qu ils ont choisis d utiliser. Certaines des méthodes décrites ci-dessous m ont été partiellement expliquées par des professionnels que j ai pu rencontrer par le biais de Technodigit. Elles reflètent ainsi les méthodes utilisées principalement en France. 1 On peut également citer le logiciel Cyclone développé par Leica Geosystems comme concurrent de 3DReshaper pour certains aspects. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 12/59

13 La solution TMS (Tunnel Measurement System) développé par Leica Geosystems est une référence pour ce qui est des travaux souterrains, mais elle n est pas forcément choisie par tous les professionnels. Nous verrons donc également les méthodes qu ils utilisent Logiciel TMS (Tunnel Measurement System) La solution TMS est une solution complète pour le suivi de construction de tunnels, développée conjointement par Leica Geosystems et Amberg Measuring Technologies. Elle se compose de plusieurs logiciels permettant de couvrir les travaux de terrain et de traitements au bureau. Voici des exemples de traitements possibles grâce au logiciel TMS Office: La comparaison des profils mesurés avec les profils théoriques correspondant. La génération d'une vue développée de la voûte du tunnel, composée de photographies prises par le scanner et d'une information colorisée représentant les écarts entre le tunnel mesuré et le tunnel théorique. Le calcul des volumes d'hors-profils* et sous-profils*. Une présentation de cette solution est faite en Annexe 2. Cette solution TMS présente de nombreux avantages pour les travaux topographiques en tunnel grâce à sa formule complète, à la simplification des levers sur le terrain et à l'automatisation des traitements des données. Néanmoins, son inconvénient majeur est qu'elle oblige à acquérir un scanner laser dont le coût n'est pas négligeable pour toutes les entreprises. De plus, étant donné que TMS Office est très complet, son utilisation peut sembler fastidieuse suivant les traitements que l utilisateur souhaite effectuer. Certains professionnels ont donc optés pour des méthodes différentes Autres solutions Les autres solutions utilisées par les professionnels sont très diverses car elles consistent dans la plupart des cas que j ai pu constatés, en l utilisation d une combinaison de logiciels ou en le développement interne d outils informatiques. a) Utilisation d une combinaison de logiciels Une méthode courante consiste en l utilisation d un logiciel de traitements de données 3D, couplé à un logiciel de DAO. D abord l utilisateur importe les nuages de points levés dans le logiciel de traitements 3D. Il y effectue tous les traitements nécessaires à obtenir un modèle pertinent pour les mesures. Il crée toutes les entités dont il aura besoin. Par exemple, l inspection d un tunnel demande généralement l impression de profils en travers* effectués sur le tunnel à des points métriques donnés. Après les avoir généré en 3D, l utilisateur les exporte vers un logiciel de DAO afin de traiter chaque profil dans un plan 2D. Puis il peut les imprimer. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 13/59

14 b) Développements informatiques internes Certaines entreprises de topographie possèdent une division informatique et choisissent de développer leurs propres outils. Dans ce cas, les outils présentent l avantage d être totalement adaptés aux types de traitements que l entreprise a besoin d effectuer. On peut citer l exemple de l entreprise de topographie ATM3D qui a développé des outils informatiques internes pour l automatisation de certains traitements liés aux travaux de génie civil. Voici quelques exemples cités par Chazaly [2006], tout à fait applicables à notre étude concernant l inspection de tunnels : - Extraction automatique de profils en fonction de la définition d un axe projet et d un pas régulier, - Représentation 3D des profils dans le système de coordonnées du projet, - Représentation 2D sous forme de cahiers de profils, - Passage de gabarit*, - Exploitation et rendu des gros volumes de profils. En faisant le bilan de ces solutions existantes, on constate un certain manque dans les logiciels de traitements 3D pour des applications bien spécifiques telles l inspection de tunnels. La société Technodigit ayant déjà un certains nombre de clients topographes effectuant des travaux en souterrains, il est tout à fait cohérent qu elle souhaite compléter son logiciel 3DReshaper en développant des outils plus spécifiques aux travaux des topographes, notamment concernant l inspection des tunnels. Nous avons à présent connaissance des enjeux de l inspection en tunnel, ainsi que des paramètres essentiels à sa bonne mise en œuvre. Cela nous permet de prédéfinir quels sont les traitements qui seront indispensables à cette inspection. Afin de correspondre au mieux aux modes de restitution de résultats auxquels les topographes sont habitués, nous pouvons conclure que les développements de ce projet devront prendre en compte les points suivants : - Respecter le repérage du tunnel. - Pouvoir générer des profils en travers en tout point du tunnel. - Pouvoir comparer le tunnel mesuré à des données théoriques, à un levé antérieur ou à un gabarit*. - Pouvoir éditer des rapports d inspection. Après cette mise au point théorique concernant l inspection de tunnels, nous allons nous intéresser au logiciel 3DReshaper au sein duquel les développements devront être intégrés. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 14/59

15 2. Etat du projet et cahier des charges Pour réaliser ce projet, des contacts ont été pris avec des professionnels, clients de 3DReshaper, effectuant régulièrement ou ponctuellement des travaux topographiques en tunnels. Ces rencontres et échanges permettent de valider les premières conclusions tirées des documents de référence dans le domaine des travaux souterrains, ainsi que de les compléter. A partir de ces conclusions, les besoins informatiques pour l inspection des tunnels pourront être clairement définis. Nous ferons ensuite un état des outils dont dispose déjà le logiciel 3DReshaper, afin de déterminer ceux qui pourront être utilisés pour les nouveaux développements à effectuer, quelles sont les modifications et les améliorations qu il faudra leur apporter pour créer de nouveaux outils dédiés aux besoins que nous auront définis pour l inspection de tunnels. De là pourra être arrêté un cahier des charges des développements à réaliser pour ce projet. 2.1 Etudes de fichiers et données types Certains professionnels, déjà utilisateurs du logiciel 3DReshaper, ont contribué à la réalisation de ce projet en partageant leur expérience dans le domaine des travaux souterrains et en partageant certaines données représentatives de leurs travaux. Ces personnes sont : M. PETITJEAN, Responsable Service Topographie, Vinci Construction, Villeurbanne, France M.DE BONI, Géomètre, SINTEGRA, Meylan, France M.MOTTE, Responsable production, ZENITH SCAN, Perpignan, France M.MARTY, Ingénieur Géomètre, GEOSAT, Sion, Suisse Les données qu elles ont pu mettre à disposition sont très variées. Elles consistent en : Des nuages de points issus de levers de tunnels. Ces fichiers permettent de se rendre compte de la taille et la nature des nuages de points qu il faudra pouvoir traiter. Ce sont des nuages de points plutôt denses et qui peuvent être très volumineux. Un nuage représentatif comporte 14 millions de points, levés sur une longueur d environ 135m, avec une distance moyenne entre les points de 7 mm. Des fichiers au format «rsh» 1 comportant un ensemble de traitements réalisés. Ces fichiers permettent d analyser comment les maillages* ainsi que les profils en travers* sur le tunnel ont été générés. Ils permettent également de voir quels types 1 Format spécifique à 3DReshaper. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 15/59

16 de résultats les utilisateurs souhaitaient obtenir pour l inspection, par exemple une comparaison colorisée selon la valeur des écarts calculés. Cette comparaison de deux états d un même tunnel peut se faire soit entre le tunnel théorique et le tunnel mesuré, soit entre deux levers d un tunnel effectués à des temps différents. Elle peut être effectuée pour vérifier l état du tunnel lors d inspections périodiques et détecter d éventuelles dégradations; ou encore pour vérifier la bonne réalisation des étapes intermédiaires de la construction de l ouvrage, par exemple pour vérifier l épaisseur d une couche de béton projeté avant de poursuivre les travaux suivants. Des fichiers «dwg» générés avec le logiciel AutoCAD 1. Ces fichiers comportent les profils en travers créés sur le tunnel, disposés selon une configuration plane, afin de les intégrer chacun dans une présentation prédéfinie, dans le but de les imprimer. Ces présentations comportent le titre du projet, ainsi que le titre de chaque profil, généralement avec le PM correspondant. Des fichiers utilisés et générés par le logiciel TMS Office (présenté dans le paragraphe ). Ces fichiers permettent d étudier une solution bien spécifique. Elle est tout à fait adaptée à la comparaison du tunnel mesuré avec les éléments du tunnel théoriques. Dans ce cas, l utilisateur dispose de toutes les données nécessaires concernant le tunnel théorique (profils types, axe en plan, etc ). C est une comparaison qui est essentielle pour vérifier que le tunnel construit correspond à celui projeté. L Annexe 2 montre un exemple de rapport de comparaison de profils, généré par ce logiciel. On apprend avec l ensemble de ces données que la création de profils en travers sur le tunnel est une opération indispensable. Ces profils peuvent être créés avec un pas régulier tout le long du tunnel ou d un certain tronçon, mais ils peuvent aussi être créés qu à certains PM bien spécifiques. On constate également à travers ces données que les professionnels sont souvent contraints d utiliser plusieurs logiciels pour fournir les documents finaux présentant les résultats de l inspection, alors que de nombreuses manipulations peuvent être nécessaires pour les obtenir. A partir de ces conclusions et des conclusions de l étude bibliographique, une définition précise des besoins informatiques pour l inspection des tunnels peut être faite. 2.2 Définition des besoins Nous allons exprimer clairement quels sont les besoins auxquels les développements qui seront effectués dans le cadre de ce projet devront répondre. Ces besoins représentent un ensemble de traitements informatiques qui se trouvent indispensables à l inspection de tunnels. 1 Logiciel de CAO dont l utilisation est largement répandue en topographie. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 16/59

17 Pour mener à bien l inspection d un tunnel, à partir de nuages de points et d éléments théoriques si besoin (profils types par exemple), l utilisateur doit pouvoir : Extraire des profils en travers* en tout point métrique du tunnel. Visualiser et parcourir aisément ces profils. Comparer deux états d un même tunnel : o Soit comparer le tunnel mesuré au tunnel théorique, o Soit comparer des levers du tunnel effectués à des temps différents. Localiser rapidement à l intérieur du tunnel les endroits de la voûte nécessitant une correction, tel un rebouchage, ou une excavation. Evaluer les volumes hors-profil et sous-profil du tunnel, éventuellement par tronçon. Cela revient à calculer des volumes de remblais et déblais*. Editer des rapports d inspection avec une mise en page prédéfinie. Les objectifs de ce projet étant fixés, il faut faire le bilan des outils disponibles pour mener à bien les développements nécessaires. Pour cela nous allons étudier les fonctionnalités du logiciel 3DReshaper dans lequel les développements devront être intégrés. 2.3 Traitements possibles dans 3DReshaper Il est défini que les nouveaux outils qui seront développés pour ce projet seront intégrés dans le logiciel 3DReshaper. Celui-ci dispose d une interface utilisateur présentant plusieurs menus, chacun divisés en sous-parties dans lesquelles sont classées les commandes selon les types de traitements qu elles permettent. L Annexe 3 est une capture écran de l interface de 3DReshaper (version 7), présentant ses éléments constitutifs. Les commandes présentent dans l interface de 3DReshaper utilisent des fonctions* de la SDK* (3DReshaper Librairie SDK) développée par Technodigit. Les outils présents dans 3DReshaper Application sont développés en utilisant le langage de programmation C++*, depuis le logiciel Microsoft Visual Studio 1. Le C++ est un langage orienté objet. La SDK est donc constituée de classes* d objets, pour lesquelles sont définis des attributs* et des fonctions. L ensemble de la SDK est disponible afin de créer les nouvelles commandes dédiées à l inspection de tunnels. Nous allons voir lesquelles peuvent être principalement utilisables dans ce projet pour répondre au mieux aux besoins exprimés. Leurs points forts et points faibles pour cette étude seront exposés afin de déterminer comment les utiliser, quelles sont les modifications qu il faudra apporter et les éventuels nouveaux outils à développer. 1 La version 2008 de ce logiciel a été utilisée pour la majeure partie de ce projet, puis Technodigit a décidé de passer à la version Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 17/59

18 2.3.1 Création de sections 3DReshaper propose plusieurs solutions pour générer des sections sur des nuages de points ou des maillages*. Ces solutions sont de quatre types : sections planaires, sections radiales, sections à main levée et sections le long d une courbe. La commande qui correspondrait le mieux à notre application est celle permettant la création de sections le long d une courbe. Cette fonction* permet de créer des sections sur un maillage, le long d'une ligne donnée, à des distances données par rapport au premier point de la ligne (à un pas régulier ou non). Cet outil permettrait donc de générer des profils en travers* sur le tunnel aux points métriques souhaités, le long de son axe neutre*. Il présente cependant certains inconvénients pour cette application précise. Premièrement, avec cette commande, les sections sont créées dans un plan perpendiculaire localement à la courbe sélectionnée (dans notre cas il s agirait de l axe neutre du tunnel). Or dans une majorité de cas 1, les profils en travers doivent être créés dans un plan strictement vertical*. Deuxièmement, cette commande n est possible que sur un maillage et pas sur un nuage de points. Donc l utilisateur doit d abord créer le maillage des nuages de points levés dans le tunnel. Ceci présente l avantage de créer une surface interpolée sur l ensemble du lever, se basant sur les meilleurs points et permettant de filtrer une partie du bruit du nuage. Mais cela constitue une étape supplémentaire pour l utilisateur, qui peut demander plus ou moins de temps selon la qualité des données. Enfin, il n est pas aisé de visualiser le résultat de la commande sans réellement créer les sections dans la scène 3D et de les afficher une par une de façon isolée. Ceci représente une série de manipulations supplémentaires pour l utilisateur. Les profils en travers créés devront donc pouvoir être positionnés dans une mise en page plane, dans le but de pouvoir les visualiser de manière plus aisée et de les imprimer dans une présentation adéquate Comparaison / Inspection Une solution pour comparer deux états d un même tunnel peut être de mesurer les écarts entre deux profils homologues, l un effectué à un PM donné sur le tunnel mesuré, l autre provenant du tunnel de comparaison au PM correspondant. C est un moyen de déterminer les écarts hors-profils* et sous-profils* du profil mesuré avec le profil de référence. Dans le menu «Mesure» une commande intitulée «Comparer / Inspection» permet de comparer deux entités, par exemple deux lignes entre-elles, ou deux maillages* ou un nuage de points avec un maillage. 1 Excepté par exemple le cas d un passage de gabarit dans un tunnel de funiculaire. Dans ce cas les profils en travers seraient tracés perpendiculairement à la pente. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 18/59

19 La comparaison de deux lignes résulte en une troisième ligne dont les points portent des segments représentant les projections des points d une ligne sur l autre. Ces segments sont colorés selon leur longueur et l échelle de couleurs utilisée peut être modifiée. Cette fonction* peut être utilisée pour comparer deux profils en travers*. Comme illustré dans la Figure 2-1 ci-dessous, l échelle de couleurs peut être modifiée à souhait par l utilisateur, qui peut définir des intervalles de couleurs selon des valeurs données. Ces outils seront utiles pour afficher les écarts entre deux profils en travers selon deux couleurs par exemple, une pour les écarts hors-profils*, une pour les écarts sous-profils*. Figure 2-1 : Comparaison de deux lignes dans 3DReshaper. (3DReshaper, ) On peut voir dans cette figure que dans la partie gauche les écarts sont représentés avec un gradient de couleurs réparties entre la valeur minimale et la valeur maximale des écarts. A droite, l échelle de couleurs a été modifiée pour représenter les écarts selon une couleur par intervalle de valeurs. Un point faible de cette commande pour notre projet, est que pour avoir accès à la valeur des écarts mesurés, l utilisateur doit soit se baser sur l affichage de l échelle de couleurs dans la scène sans avoir de valeur précise, soit insérer une étiquette ou «label». Un label est un objet pouvant être créé dans la scène de 3DReshaper, fonctionnant comme une étiquette pouvant afficher plusieurs données différentes. Ceci représente donc des manipulations supplémentaires pour l utilisateur. De plus, la création d une étiquette pour chaque écart alourdit la visualisation (Figure 2-2), et les possibilités de positionnement de ces étiquettes ne sont pas adaptées à l affichage de cotes car leur position est fixe par rapport à l écran. 1 Toutes les figures portant la mention «3DReshaper, 2012» sont des vues d écran de réalisations personnelles dans le logiciel 3DReshaper version 7 au court de ce projet. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 19/59

20 Figure 2-2 : Création d étiquette attachée à certain point pour afficher la valeur de l écart correspondant. (3DReshaper, 2012) La meilleure solution pour visualiser les écarts serait de pouvoir afficher automatiquement dans la scène la valeur de ces écarts, sans que l utilisateur ait besoin de faire de manipulation supplémentaire. Par conséquent, d autres moyens d afficher les cotes devront être explorés, ils seront détaillés dans la partie de ce mémoire intitulée Développements Impressions Il est généralement indispensable d éditer les résultats des travaux informatiques réalisés afin de les transmettre à d autres professionnels. Des outils de 3DReshaper permettent d effectuer des impressions à partir de la scène 3D. Mais telle qu elle est implémentée, l impression n est pas adaptée pour des impressions multiples. Pour imprimer plusieurs profils, l utilisateur devrait afficher dans la scène uniquement le profil désiré puis effectuer l impression, et ainsi de suite pour chaque profil. Cela résulte en la répétition d une série de manipulations, ce qui est plutôt fastidieux pour l utilisateur. L idéal serait de pouvoir imprimer en une seule fois tous les profils voulus. De plus, il n est pas possible de définir une échelle d impression. Les topographes impriment généralement leurs travaux dans une échelle définie afin de pouvoir effectuer des mesures sur les dessins imprimés. Néanmoins, le système de coordonnées et l échelle graphique présents dans la scène de 3DReshaper (Figure 2-3) sont visibles dans l impression. Donc l échelle du dessin peut être calculée, mais cela représente des actions en plus pour l utilisateur. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 20/59

21 Figure 2-3 : Système de coordonnées et échelle présente dans la scène 3D de 3DReshaper. (3DReshaper, 2012) A partir de ces fonctions* principales, nous pouvons définir précisément quels sont les développements qui vont pouvoir être réalisés lors de ce projet pour répondre aux mieux aux besoins exprimés précédemment. Bien sûr, des fonctions secondaires de la SDK de 3DReshaper seront également utilisées pour réaliser les développements. 2.4 Cahier des charges Aux vues des conclusions précédentes, on comprend que l'objectif immédiat de ce projet n'est pas de redévelopper des fonctions adaptées à ce contexte, mais d utiliser les outils existants afin de créer de nouveaux outils dans le logiciel 3DReshaper, sous la forme de nouvelles commandes. Celles-ci permettront de faciliter et d'automatiser certains traitements déjà disponibles dans le logiciel, par l intermédiaire d interfaces utilisateurs adaptées aux traitements sur les tunnels. Nous partons du principe que les données de bases pour mener une inspection consistent en un ou plusieurs nuages de points levers dans le tunnel et préalablement traités 1, ou un maillage* du tunnel réalisé à partir de ces nuages. Les outils déjà disponibles dans 3DReshaper sont tout à fait adaptés à la réalisation de ces traitements préalables. Les commandes créées pour ce projet sont intégrées à un nouveau menu «Topographie», inséré aux menus de l interface de 3DReshaper. Ce menu comporte également d autres commandes spécifiques aux travaux topographiques, réalisées par des développeurs de Technodigit. A travers les études théoriques et pratiques, nous avons constaté l utilisation systématique des profils en travers* pour l inspection de tunnel. Il est ainsi décidé d axer les nouvelles commandes principalement sur la création de profils en travers et sur leurs traitements. Par conséquent, cinq nouvelles commandes vont être développées dans le cadre de ce projet : Une commande permettant la création de profils en travers* sur un tunnel le long de son axe neutre* en tout point métrique. 1 Idéalement, le nuage est nettoyé des éventuelles parties indésirables qui pourraient altérer les résultats. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 21/59

22 Une commande permettant la comparaison de profils en travers homologues, provenant soit de deux levers effectués à des temps différents, soit d un lever et d un tunnel théorique. Une commande permettant à tout moment de visualiser dans une mise en page 2D l ensemble des profils en travers et de leurs éléments associés 1. Une commande permettant l impression des profils en travers et de leurs éléments associés dans une présentation générique. Une commande permettant de calculer les volumes d hors-profils* et sousprofils* sur l ensemble du tunnel ou sur des tronçons 2. Pour l utilisation de la première commande de création de profils en travers, l axe neutre du tunnel est nécessaire. Une commande permettant l extraction automatique de l axe neutre d une forme tubulaire (nuage de points ou maillage) a également été développée pendant le stage précédent. Ce n est pas une commande spécifique à la topographie, elle est utile pour diverses applications telles l inspection de tuyaux. Ce cahier des charges est validé avec Gilles Monnier, ingénieur en développement pour Technodigit et directeur de ce projet de fin d études. Il est également partagé et validé avec certains professionnels utilisateurs de 3DReshaper qui ont contribué à ce projet par le partage de leurs connaissances, leur expérience et des données représentatives de leurs travaux en tunnels. Les rencontres et les échanges avec les professionnels ont été très enrichissants et indispensables pour ce projet, car ils ont permis de définir au mieux les traitements informatiques nécessaires à l inspection de tunnels, et de valider le cahier des charges final. Ils ont montré une vraie implication, ce qui prouve la réelle nécessité de ce projet pour leurs travaux. Nous allons à présent expliquer l ensemble des développements réalisés pendant ce projet pour répondre aux besoins identifiés, et satisfaire au cahier des charges défini. 1 Il peut s agir d un profil homologue, de cotes, de coordonnées, etc. Le détail sera vu dans la partie 3.Développements. 2 Ces tronçons sont définis par point métrique Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 22/59

23 3. Développements Après des études bibliographiques, des discussions avec les différents clients, et une mise au point sur les outils existants de 3Dreshaper, il a été décidé de consacrer ce projet à la création et aux traitements des profils en travers*. Le but est de pouvoir inspecter les profils en travers du tunnel. Donc il faut d'abord pouvoir les créer et les visualiser. Dans un deuxième temps, il faut pouvoir comparer deux profils, entre deux levers effectués à des temps différents, ou entre le profil mesuré et le théorique. Il devra également être possible d'imprimer ces profils et des rapports d'inspection. Enfin, ces profils serviront à définir les tronçons du tunnel, afin d en calculer les volumes hors-profils* et sous-profils*. Quatre nouvelles commandes ont été développées pour ce projet, permettant la création, la gestion et l exploitation de profils en travers d un tunnel: Création le long de l'axe neutre* du tunnel Visualisation en 2D Comparaison Impression Ces nouvelles commandes sont intégrées à un nouveau menu Topographie, ajouté à l interface de 3DReshaper Application tel que l illustre la Figure 3-1. Pour les reconnaître visuellement, des icônes ont été créés pour chaque commande. Figure 3-1 : Interface de 3DReshaper Application et zoom sur les icônes des nouvelles commandes du menu Topographie. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 23/59

24 Afin de simplifier au mieux les manipulations pour l utilisateur, il est possible de passer d une commande à la suivante directement par la boîte de dialogue de la première. Ainsi, l utilisateur peut éviter de valider et sortir d une commande puis sélectionner dans la scène les éléments nécessaires à l étape suivante, puis lancer la commande suivante. Il peut par exemple passer de la commande de comparaison directement à la commande d impression après avoir fait un aperçu des résultats. Il est à noter que toutes les boîtes de dialogue qui seront présentées dans ce rapport sont en anglais car c est une règle de travail de Technodigit que de développer d abord en anglais. En effet, le logiciel est distribué dans le monde entier. Donc dans un second temps, tous les éléments de l interface ainsi que les tutoriels et fichiers d aide sont traduits dans les langues nécessaires. Une dernière commande permettant la détermination des volumes caractéristiques d un tunnel par tronçons devra également être réalisée. Son développement ne sera pas détaillé dans ce mémoire car il a tout juste débuté à la fin du projet. Néanmoins, elle n en reste pas moins importante pour les traitements d inspection d un tunnel, son développement sera donc poursuivi et finalisé ultérieurement. Dans le cadre de ce projet, deux commandes ont été développées lors du stage précédent celui-ci. Il s agit d une commande d extrusion, et une commande d extraction automatique d axe neutre*. La commande d extrusion permet de créer un maillage* en extrudant une forme selon un chemin. Dans notre cas, elle peut servir à créer un tunnel théorique à partir d un profil théorique et de l axe neutre. Cette commande est expliquée plus en détails en Annexe 4. La commande d axe neutre a été finalisée pendant ce stage. Elle est donc brièvement expliquée ci-après. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 24/59

25 3.1 Extraction automatique d axe neutre Les profils en travers* sur le tunnel sont générés le long de son axe neutre*. Dans le cas où l utilisateur ne dispose pas de l axe théorique du tunnel, il pourra d abord utiliser une commande permettant d extraire automatiquement l axe neutre d une forme tubulaire (nuage ou maillage). Cette commande est utile pour diverses applications de 3DReshaper, comme l inspection de tuyaux, et n est pas spécifiquement insérée dans le menu Topographie, mais dans le menu Polyligne-> Extraction. Elle permet d automatiser un ensemble de manipulations déjà réalisables dans 3DReshaper pour obtenir l axe neutre d une forme tubulaire. Cette étape est ainsi simplifier et moins coûteuse en temps pour l utilisateur. Son développement a démarré lors du stage précédent et a été finalisé lors de ce stage, avec Frédéric Viallet, ingénieur développement chez Technodigit. Le principe de l algorithme développé est basé sur une série de manipulations dans 3DReshaper: Dessin d une ligne 3D approximant la trajectoire du tunnel, Création de sections selon cette ligne tout au long du tunnel avec un pas régulier, Génération de meilleurs cercles sur ces sections, Obtention d une nouvelle ligne par chaînage des centres des meilleurs cercles, Création de sections selon cette nouvelle ligne tout au long du tunnel avec un pas régulier, Génération de meilleurs cercles sur ces sections, Obtention d une nouvelle ligne par chaînage des centres des meilleurs cercles, Lissage de cette ligne pour obtenir l axe neutre final. Ces manipulations sont expliquées dans un exercice pratique de 3DReshaper disponible en ligne (3DReshaper@ [2012]). Afin d automatiser au maximum cette commande, Frédéric Viallet a développé une fonction* permettant de générer automatiquement la première ligne approximative, départ pour la création du premier jeu de sections. Ainsi, il n est plus nécessaire à l utilisateur de dessiner manuellement cette ligne d aide, mais il peut la générer en un clic dans la boîte de dialogue de la commande d axe neutre (voir l exercice pratique en Annexe 8). Figure 3-2 : Résultat de la génération automatique de l axe neutre (en rouge) d un tunnel maillé (en jaune) (Réalisé dans 3DReshaper, 2012) Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 25/59

26 3.2 Création de profils en travers Grâce aux outils présents dans 3DReshaper il est possible de créer tout type de sections sur des nuages de points ou sur des maillages. Mais comme expliqué dans le paragraphe concernant les traitements déjà possibles dans 3DReshaper, ces outils ne sont pas tout-à-fait adaptés aux profils en travers* d un tunnel. Ainsi, une nouvelle commande est créée en prenant en compte les aspects détaillés dans le dit paragraphe. Elle permet de créer des sections sur un ou deux objets à la fois, sur des nuages de points ou des maillages, le long de l axe sélectionné. Dans la boîte de dialogue, l utilisateur choisit en quels PM il souhaite créer des profils en travers sur le ou les objets sélectionnés. Il doit renseigner plusieurs paramètres et peut choisir plusieurs options de prévisualisation des profils en travers générés, avant de les créer définitivement dans la scène. Nous allons expliquer ces diverses possibilités proposées par la commande à travers sa boîte de dialogue (Figure 3-3). Figure 3-3 : Boîte de dialogue développée pour la commande de création de profils en travers sur un tunnel le long de son axe neutre. (3DReshaper, 2012) 1 1 Nous rappelons que les boîtes de dialogue sont développées en anglais. Une proposition de traduction en français est disponible en Annexe 5. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 26/59

27 3.2.1 Création à partir d un nuage de points Le plus pertinent pour l utilisateur est de préalablement traiter les nuages de points levers dans le tunnel, puis de générer un maillage* à partir de ces nuages. Ce maillage peut être affiné et amélioré avec divers outils de 3DReshaper. Néanmoins, pour cette commande, le choix est fait de laisser la possibilité à l utilisateur de créer des sections directement sur le nuage de points du tunnel, s il sait son nuage «propre» 1 et peu bruité. Dans ce cas, il doit remplir des paramètres supplémentaires pour la création des sections : Epaisseur du plan de projection Des plans verticaux ou localement perpendiculaires à l axe neutre (suivant l option choisie, détaillée ci-après) sont créés aux PM désirés, puis les points du nuage sont projetés sur ces plans. Uniquement les points situés à une distance du plan inférieurs à ce paramètre sont projetés sur le plan. Distance de chaînage entre les points Les points projetés sur le plan sont ensuite chaînés afin de créer les lignes constituant les sections. Ce paramètre définit la longueur maximale des segments créés entre deux points. Activation de la réduction de bruit Activer la réduction du bruit permet de trier automatiquement les points projetés pour n en garder que les plus pertinents (Figure 3-4). Il est préférable d activer cette option si le nuage de points concerné est très dense. Figure 3-4 : Exemple de ligne obtenue (ligne noire) par réduction de bruit de la ligne rouge (Réalisé dans 3DReshaper, 2012). 1 C est-à-dire qu idéalement le nuage ne comporte pas de points mesurés sur des parties indésirables au tunnel. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 27/59

28 3.2.2 Choix des PM Pour laisser la plus grande liberté possible à l utilisateur pour définir en quels PM il souhaite créer des profils en travers sur le tunnel, plusieurs possibilités sont proposées par la boîte de dialogue (Figure 3-3). Ainsi il peut créer des profils : Soit avec un pas régulier Il peut définir une distance curviligne fixe entre chaque profil à créer. Les profils peuvent être générés sur l ensemble du tunnel, ou alors sur une certaine portion seulement, définie d un PM à un autre. Soit à des PM précis L utilisateur peut remplir une liste de distances curvilignes par rapport au premier point de l axe (équivalentes aux PM), auxquelles il souhaite générer des profils. Une option supplémentaire permet également de créer les points d intersection entre l axe neutre et les plans des profils. Les coordonnées de ces points sont visualisables lors de l aperçu 2D. Ils peuvent servir de vérification et seront utiles pour améliorer la rapidité d exécution des commandes suivantes Plan des profils Dans l outil de création de section déjà existant dans 3DReshaper, nous avons vu que les sections sont créées dans un plan localement perpendiculaire à l axe neutre. Or nous avons également vu que dans certains cas, il est nécessaire de créer des profils en travers selon un plan strictement vertical*. Or, selon la manière utilisée pour générer l axe neutre, il est tout à fait possible qu il présente certaines ondulations verticales. La Figure 3-5 ci-dessous schématise ce phénomène. Une option à cocher est donc disponible dans la boîte de dialogue de la nouvelle commande (Figure 3-3). Figure 3-5 : Schéma de principe sans échelle illustrant la notion de «plan localement perpendiculaire à l axe neutre». (Réalisation personnelle) 1 Explications données dans les commandes suivantes. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 28/59

29 3.2.4 Exemple de résultat La Figure 3-6 ci-dessous illustre le type de résultats pouvant être obtenus par l utilisation de cette commande. La vue de droite (b) montre la prévisualisation des profils en travers avant leur création dans la scène 3D (a). (a) (b) Figure 3-6 : Résultats de la création de quatre profils en travers sur le maillage d un tunnel, le long de son axe neutre. (a) est une vue 3D, (b) une vue 2D. (3DReshaper, 2012) Règle de nommage Les profils générés par cette commande sont des entités de 3DReshaper appelées «sets de multi-lignes». Ils sont insérés dans un dossier général portant le nom du tunnel sur lequel ils ont été créés. Ce dossier est ajouté au groupe prédéfini dans 3DReshaper intitulé «Groupe Contours». Chaque profil en travers est nommé avec un nom unique dans ce dossier, composé du nom du tunnel à partir duquel il a été créé, d un préfixe et de sa distance curviligne par rapport au premier point de l axe neutre. Pour respecter le marquage du tunnel (paragraphe 1.1), l utilisateur peut choisir un préfixe de distance pour les profils en travers, par exemple «PM» pour «point métrique». Ainsi, si une section est créée sur le maillage nommé «Tunnel_etape1» au PM 4,250m, elle portera le nom «Tunnel_etape1 PM 4,250», est sera insérée dans un dossier nommé «Tunnel_etape1». Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 29/59

30 Grâce à cette règle, au lancement de chaque commande requérant des profils en entrée, les profils sélectionnés peuvent être classés dans l ordre croissant de leur PM. Ceci facilite la réalisation des traitements par les fonctions* internes aux commandes. De plus, la commande de création de profils en travers permet de générer des profils sur deux entités en même temps en vue d une comparaison. Une fonction* utilisée par toutes les commandes de traitements de profils a donc été développée afin de classer les profils sélectionnés en un ou deux tableaux de profils (selon qu ils proviennent d un ou deux tunnels distincts) dans l ordre de leur PM croissant. Ainsi le ième élément d un tableau correspond au ième élément du second tableau. Les profils en travers créés par cette commande dans la scène 3D et classés dans un dossier spécifique de l arborescence vont ensuite pouvoir être le support de traitements utiles à l inspection d un tunnel. Leur gestion et leur visualisation sont donc des points importants de ce projet. La figure illustre certaines options mises en place pour faciliter cette visualisation. Nous allons nous pencher en détails sur l ensemble des outils développés dans ce sens. 3.3 Visualisation des profils en travers Un des enjeux de ce projet est de développer des outils permettant à l utilisateur de parcourir aisément l ensemble des profils en travers* et autres éléments créés par les nouvelles commandes. Premièrement, des nouvelles options d affichage pour les sections dans 3DReshaper ont été développées. Deuxièmement, des options générales de visualisation ont été intégrées dans plusieurs des nouvelles commandes. Enfin, une commande a été développée pour permettre de visualiser à tout moment les profils et leurs éléments associés dans une configuration 2D Affichage du nom des profils Une fois créés dans la scène 3D, les profils sont classés selon leur nom dans l arborescence de 3DReshaper dans le dossier correspondant. Si l utilisateur souhaite sélectionner un profil en particulier, il doit parcourir cette arborescence pour le trouver car dans la scène aucun signe particulier n identifie les profils. L utilisateur peut très bien reconnaître le profil qu il souhaite, ou attribuer une couleur à chaque profil pour une meilleure visualisation, mais ces manipulations deviennent fastidieuses avec l augmentation du nombre de profils à gérer. On observe le même problème pour toutes les sections créées à l aide des outils existants dans 3DReshaper. Elles sont nommées avec une indication de distance (équivalente aux PM des tunnels) mais elles n ont aucun signe distinctifs dans la scène 3D. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 30/59

31 L idée a donc été de simplement pouvoir afficher le nom de chaque section dans la scène. Pour cela, une option a été ajoutée dans le menu «clic droit» d affichage des sets de multi-lignes dans la scène (Figure 3-7). Figure 3-7 : Menu gérant l affichage des sections dans la scène 3D. (3DReshaper, 2012) De cette manière, les différents profils sont aisément identifiables dans la scène 3D, comme le montre l exemple de la Figure 3-6 (a) Multi-vue Afin d améliorer la prévisualisation des résultats des commandes de création et de comparaison des profils, une option y est disponible pour afficher les résultats à la fois en 3D et en 2D (Figure 3-6). Cette option est une case à cocher s intitulant «Show a 3D view», en français «Afficher une vue 3D» (Figure 3-8). Par défaut, les résultats de ces deux commandes sont présentés dans une mise en page 2D pour la meilleure visibilité. Les profils peuvent être placés sur une ligne, sur une colonne, ou dans une grille (Figure 3-8). Afin d optimiser la visualisation et la navigation dans cette aperçu 2D, la rotation de la scène est désactivée pendant l aperçu, mais l utilisateur peut toujours effectuer des zooms avant et arrière. Figure 3-8 : Extrait commun à la boîte de dialogue de la commande de création de profils et celle de comparaison. (3DReshaper, 2012) Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 31/59

32 En cochant l option «Show a 3D view», la fenêtre de 3DReshaper est divisée verticalement en deux vues. La vue de gauche affiche tous les éléments visibles en 3D. L utilisateur peut naviguer dans cette vue comme dans toute fenêtre de 3DReshaper. Dans la vue de droite s affichent les profils en travers dans une mise en page plane afin que l utilisateur puisse les inspecter aisément (Figure 3-6) Commande de mise en plan des profils en travers Pour compléter ces outils, une commande a été développée pour permettre de visualiser à tout moment les profils et leurs éléments associés dans une configuration plane. Cette commande est indispensable aux développements effectués pour ce projet car le choix a été fait de ne pas créer dans la scène de 3DReshaper les éléments en mise en page 2D. En effet, cette scène est dédiée à la visualisation 3D d objets, à la navigation à travers ces objets, et non pas à une présentation plane. Le but de la vue 2D proposée par les commandes développées dans ce projet est de permettre une visualisation temporaire des résultats plus claire qu en 3D. Une fonction* a été développée pour afficher les éléments en 2D. Elle est utilisée par cette commande et les commandes de création, de comparaison et d impression des profils. Le principe de cette fonction est qu elle place premièrement chaque profil dans un plan XOY, en plaçant le point central 1 du profil aux coordonnées (0, 0, 0) du système de coordonnées général. Puis chaque profil est translaté afin que l ensemble soit positionné selon l option choisie par l utilisateur (en ligne, en colonne ou en grille). Une matrice de rotation est calculée pour chaque profil en prenant en compte les trois vecteurs suivants (propres à chaque profil): le vecteur de l horizontale, le vecteur normal au plan du profil, le vecteur vertical. La matrice de rotation est calculée telle que : soit coplanaire au vecteur du système de coordonnées général soit coplanaire au vecteur du système de coordonnées général soit coplanaire au vecteur du système de coordonnées général Cette matrice de rotation est ainsi appliquée au profil, puis il est translaté de son point central jusqu au point de coordonnées (0, 0, 0) du système de coordonnées général. Avec cette opération, le dévers* de la chaussée est conservé. Après ces opérations effectuées pour chaque profil, ils se trouvent tous superposés dans le plan XOY. On peut ainsi calculer les meilleurs vecteurs de translation à leur appliquer selon et, afin d avoir une bonne répartition dans la scène, sans chevauchement ni trop grand éloignement. Ces vecteurs sont déterminés à partir des dimensions maximales de chaque profil. Pour finir, les profils sont translatés à l aide des vecteurs calculés, en respectant le choix de l utilisateur (en ligne, en colonne ou en grille). 1 Point d intersection entre l axe neutre et le plan du profil. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 32/59

33 En plus de permettre une visualisation des éléments dans une mise en page 2D, cette commande propose des outils dans sa boîte de dialogue (Figure 3-9) qui permettent d exporter les profils dans la configuration plane souhaitée 1. Figure 3-9 : Boîte de dialogue développée pour la commande de visualisation 2D des profils en travers. (3DReshaper, 2012) 2 Elle est également compatible avec les éléments générés avec la commande de comparaison des profils (paragraphe 3.4), c est-à-dire que l utilisateur peut faire afficher les cotes calculées par cette commande s il a sélectionné le profil et la ligne résultante de la comparaison avant de lancer la commande de visualisation 2D. Une visualisation optimale des résultats est un des besoins exprimés dans la première partie de ce mémoire. Nous avons expliqué tous les développements qui ont été effectués dans ce sens, et tous les outils mis en place. Ceux-ci sont pris en compte par l ensemble des commandes développées pour ce projet. Un autre besoin de l inspection est de pouvoir comparer les profils en travers créés. La commande de création de profils en travers permet la génération de profils sur deux entités en même temps, ceci afin de réduire au maximum le nombre de manipulations que l utilisateur doit effectuer. Nous allons à présent voir quels outils ont été développés pour réaliser cette comparaison. 1 Ceci peut éventuellement permettre d importer ces profils dans un logiciel de D.A.O. 2 Une proposition de traduction en français est disponible en Annexe 5. Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 33/59

34 3.4 Comparaison de profils en travers Comme vu dans la première partie de ce mémoire, le but de l inspection d un tunnel peut être de vérifier que le tunnel construit corresponde au cahier des charges, ou encore de vérifier périodiquement l état d un tunnel afin d y déceler des éventuels désordres. Dans le premier cas, le tunnel mesuré doit être comparé au tunnel théorique du projet et dans le second cas, le tunnel mesuré est comparé à un lever du même tunnel effectué antérieurement. Une commande a donc été développée afin de fournir une solution à ces inspections, par la comparaison des profils en travers* provenant de deux tunnels. La commande de comparaison des profils en travers se base sur la commande de Comparaison/Inspection déjà présente dans 3DReshaper (voir paragraphe 3.3) en l adaptant aux nouvelles exigences et en proposant de nouvelles options, visibles dans la boîte de dialogue ci-dessous (Figure 3-10). L utilisateur sélectionne l ensemble des profils en travers qu il souhaite comparer, et à l entrée dans la commande, ces profils sont classés suivant la manière décrite précédemment (paragraphe 3.2.5). Il doit ensuite choisir quels sont les profils de référence pour la comparaison. Figure 3-10 : Boîte de dialogue développée pour la commande de comparaison de profils en travers. (3DReshaper, 2012) Jennifer Ludwig Mémoire de P.F.E. 34/59