Scanners laser terrestres (laser scanning), successeur de la photogrammétrie terrestre Olivier Feihl Directeur d Archéotech SA Partenaire scientifique agréé C2RMF (Centre de recherche et restauration des musées de France, le Louvre Paris) Depuis le début des années 2000, sont arrivés sur le marché civil différents systèmes de mesures optiques automatisés. Ces systèmes sont pour la plupart basé sur des principes de mesures dits «à temps de vol» pour ceux à longue portée «long range» (de 3 à 400 mètres et plus) ou à projection de lumière structurée pour ceux à courte portée «short range» (de 1 cm à 2-3 mètres). Les scanners à longue portée Au niveau mondial 4 à 5 fabricants proposent des instruments de mesure par balayage laser. Ces appareils projettent un rayon laser et leur capteur mesure le temps que met la lumière pour faire l aller retour
entre le centre d émission et le point d impact sur la surface de l objet mesuré. Le logiciel interne calcule les coordonnées X,Y,Z du point. Il enregistre également une valeur photométrique basée sur la mesure de l intensité du retour du rayon laser ; celle-ci est tributaire de la réflectivité de la surface balayée. Cette valeur permet de donner une intensité de gris au point mesuré ; certains modèles proposent également une acquisition couleur basée sur des photographies prises par une caméra digitale. La vitesse d acquisition de ces différents capteurs varie entre 1000 à 20'000 points par seconde. La précision est de l ordre de quelque millimètres. Le champ de mesure est de 360 degrés sur le plan horizontal et varie suivant les modèles entre 60 et 270 degrés sur le plan vertical. La résolution maximale varie en fonction des appareils choisis ; elle peut être paramètrée en fonction des nécessités de représentation de la morphologie de l objet. Trimble http://www.trimble.com/gs200.shtml Leica :http://www.leicageosystems.com/corporate/en/ndef/lgs_62189.htm Optech : http://www.optech.ca/i3dprodline-ilris3d.htm Riegl : http://www.riegl.com/
Les scanners à moyenne portée Depuis 3 ans une nouvelle technologie initialement développée chez le fabriquant allemand Zoller+Fröhlich a fait son apparition. Il s agit d appareils laser pour lesquels la mesure de distance est réalisée grâce à la technique dite du «décalge de phase» ; l instrument mesure la différence de phase de l onde lumineuse du laser entre l aller et le retour. Cette technologie permet d atteindre des vitesses d acquisition de plusieurs centaines de milliers de points 3d par seconde. Ces appareils ont un champs de mesure de 360 degrés sur le plan horizontal et de 320 degrés sur le plan vertical. En quelques minutes on enregistre la totalité de l espace dans lequel l instrument a été placé. La portée maximale de ce type d instrument est de l ordre de 50 à 80 mètres. Zoller+Fröhlich : http://www.zf-laser.com/d_index.html Leica: http://www.leica-geosystems.com/corporate/en/ndef/lgs_64228.htm Faro : http://www.faro.com/content.aspx?ct=fr&content=pro&item=5 Les scanners à courte portée Si les systèmes examinés précédemment conviennent bien pour des scènes allant de de 2-3 à plusieurs centaines de mètres, nous devons
nous tourner vers d autres technologies pour la mesure de scènes de plus petites dimensions et pour lesquelles la précision doit être inférieure au millimètre (sculpture, mécanique). La plupart des systèmes du marché sont basés sur des principes de triangulation, où l on projette sur l objet des marqueurs (frange ou ligne laser) qui sont analysés à partir de capteurs optiques excentrés. Les précisions peuvent atteindre 3-5 microns suivant les systèmes. Faro : http://www.faro.com/content.aspx?ct=fr&content=pro&item=1 Gom http://www.gom.com/en/index.html Breukmann : http://www.breuckmann.com/ Konica/Monolta :http://www.konicaminolta.com/instruments/products/3d/index.html Les scanners photogrammétriques On assiste aujourd hui à un retour de la photogrammétrie ; le traitement de l information numérique et la qualité des capteurs photographiques a permis le développement de logiciels pouvant extraire de façon automatisée des nuages de points à partir de photographies. Si ces solutions sont encore souvent à l état de prototype, elles sont intéressantes car elles nécessitent un matériel simple et bon marché
pouvant couvrir grâce à la multiplicité des optiques une grande variété de sujets, pouvant aller de la micromorphologie à la capture de sites entier. Contrairement aux scanners terrestres, elles offrent la possibilité d utiliser des moyens d élévation non stables, ou de mesurer des objets en mouvement. PMS : http://www.photomodeler.com/products/pm-scanner.htm Menci : http://www.menci.com/zscan/ Le traitement de l information Les données acquises doivent ensuite être traitées dans les programmes spécifiques à chaque instrument utilisé. Les traitements basiques consistent à géoréférencer les différentes stations de prise de vue en fonction du système de coordonnées choisi et de filtrer le bruit et les artefacts. À partir de ce moment, on dispose de nuages de points cohérents qui représentent la forme de l objet dans la résolution choisie. L un des problèmes majeur réside dans la quantité de données générées par les capteurs et que les programmes pour la plupart développés pour Windows 32 bits se heurtent à la barre des 3 gigas de mémoire ram. À
partir de 200'000'000 de points, il est souvent nécessaire de fractionner les projets en blocs constitués par secteur. Les programmes standard permettent de tracer des profils à n importe quel endroit du sujet, ou de réaliser des orthoplans laser ; ceci consiste à projeter sur un plan une sélection de points pour obtenir une image entièrement rectifiée à l échelle souhaitée représentant l objet comme une photo noir et blanc. D autres fonctions permettent de calculer des volumes, de tracer des courbes de niveaux ou de comparer 2 états chronologiquement distants de l objet et d obtenir des cartographies précises des écarts. Des logiciels spécialisés peuvent ensuite être utilisés pour transformer les nuages de points en surfaces triangulée ou de Nurbs. À partir de ces nouvelles données, on peut exporter les sujets numérisés vers des logiciels de conception assistée par ordinateur ou vers des machines de reproduction 3d telles que CNC ou plotters 3D.
Pour conclure S il est possible aujourd hui de saisir en trois dimensions n importe quelle morphologie dans des temps record, il n en demeure pas moins que le traitement de l information pour qualifier et structurer cette dernière nécessite encore un travail important. Les traditions de représentation en architecture par exemple nécessitent un gros travail manuel de transformation et les outils logiciels accessibles ne sont pas adaptés à ce genre de traitement. Par contre sur le plan scientifique, les possibilités d analyses morphologiques offrent de nombreux moyens nouveaux d investigation.