Le nuage de points pour travailler en BIM

Le nuage de points est le résultat d’un relevé effectué à l’aide d’un scanner laser. Découvrez comment il peut simplifier la modélisation BIM

Toute intervention sur un bâtiment existant commence par le relevé de la situation existante. Aujourd’hui, grâce à des technologies de plus en plus efficaces qui nous permettent d’optimiser l’ensemble du processus de mise en évidence et de restitution de l’ouvrage par la création de modèles 3D, il est possible de créer une synergie fructueuse entre l’activité de conception opérée en environnement BIM (Building Information Modeling) et la phase préalable nécessaire de relevé de la situation existante

Le Scan to BIM est un processus d’ingénierie inverse qui utilise des technologies de relevé avancées, telles que le balayage laser 3D, Structure from Motion et la photogrammétrie haute définition, pour obtenir des nuages de points et des maillages 3D à utiliser comme base pour la modélisation BIM.

Le résultat du relevé par laser scanner restitue un ensemble de millions de points dans un espace à 3 dimensions ; le nuage de points (point cloud) ainsi obtenu peut être géré avec un logiciel point cloud to BIM afin de produire un modèle numérique de l’existant, qui peut également être évalué à travers une navigation dans un environnement de réalité virtuelle.

Fonction d’importation du nuage de points issu du logiciel Edificius

Qu’est-ce qu’un nuage de points

Le nuage de points est le résultat du relevé d’un objet donné effectué à l’aide d’un scanner laser. En pratique, c’est l’ensemble de nombreux points disposés dans l’espace contenant des informations telles que la position (coordonnées x,y,z), la couleur, la réflectance, etc.

Le nuage de points peut également être obtenu grâce à des techniques de structure from motion (SfM, « Structure acquise à partir d’un mouvement ») qui permettent d’obtenir des points en traitant des photos ; il peut également être visualisé à l’aide de logiciels dédiés qui vous permettent de gérer et de restituer graphiquement les données obtenues à partir du relevé.

Mais une fois le nuage de points obtenu (avec l’une des techniques disponibles aujourd’hui), quelle est son utilité ?

Les avantages sont multiples, au-delà de la simple visualisation. Il est en effet possible :

• d’effectuer des comparaisons entre différents modèles
• d’utiliser le nuage pour la modélisation BIM du bâtiment
• de mesurer les distances directement sur le modèle à nuage (utilisation métrique)
• de générer un modèle mesh (surface) obtenu à partir de l’union des différents points.

Ce qui a été dit dépend de la finalité du relevé et de la qualité du nuage de points obtenu par le relevé. On parle généralement de résolution du nuage, liée à la densité des points.

Nous avons dit qu’avec le nuage de points, il est également possible d’obtenir un modèle 3D composé de mailles ( mesh ) : chaque maille est formée de nombreux triangles décrits par des coordonnées tridimensionnelles x, y, z présentes dans le nuage de points.

Le maillage obtenu à l’origine n’a aucune couleur. La couleur (ou texture) peut être assignée aux différents polygones de deux manières différentes :

• couleur par vertex – la « moyenne » des couleurs des différents points formant les sommets du polygone est prise en compte. Dans ce cas, la qualité du résultat final est directement liée à la résolution du modèle, car elle dépend des points qui forment le modèle lui-même.
• texture – on prend comme référence les photos prises par l’outil de relever. Ces images sont déjà orientées par rapport au modèle et peuvent être projetées directement sur les surfaces. À chaque maillage sera associée l’union de ces photos (texture) qui peut être vue comme un « drap » recouvrant les polygones. La qualité du résultat final dépendra de la qualité des photos et non plus de la résolution du modèle.

Quelles sont les techniques de relevé utilisées

Différentes techniques sont utilisées pour le relevé des bâtiments. Sans nous attarder sur celles traditionnelles (par exemple la trilatération), voyons ensemble celles qui permettent de générer le nuage de points.

Photogrammétrie

La photogrammétrie est une technique importante qui vous permet d’obtenir la position, la forme et la taille de l’objet à relever en traitant une série d’images. Ceci est possible grâce à l’analyse d’images stéréoscopiques, obtenues grâce à une chambre stéréoscopique ou à une chambre métrique qui encadre le même objet et qui est disposée en succession en deux positions distinctes.

Le processus photogrammétrique peut être divisé en 3 phases : 

• la prise : photographier l’objet avec la caméra stéréométrique ou avec la caméra placée en deux points distincts ;
• l’orientation des images : les images stéréométriques sont orientées de manière appropriée afin d’obtenir un modèle tridimensionnel ;
• la restitution : le modèle 3D est reconstruit et il est possible d’en mesurer la forme et les dimensions.

Procédure photogrammétrique

Le relevé photogrammétrique peut être aérien, en utilisant des appareils tels que des drones, ou terrestre, en utilisant n’importe quel appareil photo ou caméra stéréoscopique.

Drone

Le drone est un aéronef piloté à distance, c’est-à-dire qu’il ne prévoit pas la présence humaine à bord du véhicule aérien pour la conduite, mais qu’une radiocommande à distance spécifique est utilisée.

Sur le marché, il existe de nombreux types de drones qui peuvent être regroupés dans ces trois macro-catégories :

• drones à structure hélicoïdale
• drones à structure plane
• drones hybrides

Ces instruments permettent d’effectuer des relevés aérophotogrammatiques garantissant une restitution fidèle de l’objet. Pour ce faire, les opérations à suivre sont : 

• mise en évidence de la zone à relever (par exemple via Google Maps)
• analyse de la zone et projet de prise
• choix des points de décollage et d’atterrissage du drone et localisation du point de positionnement de la station de contrôle au sol
• planification des opérations de vol en vérifiant la présence d’éventuels obstacles
• programmation d’éventuelles missions de vol automatiques
• repérage des mesures au sol qui peuvent aider le relevé photogrammétrique
• acquisition d’images
• orientation des images et reconstruction de la scène (Structure for Motion)
• génération de nuage de points
• génération du modèle 3D en maille.

Pour ce faire, vous pouvez compter sur deux méthodes de mission de vol :

• mode automatique à l’ aide de WayPoint, qui prévoit l’analyse automatique d’une zone en sélectionnant préalablement des points sur la carte de référence
• mode manuel, en prenant des photos selon un schéma prédéterminé.

Relevé nadiral avec drone

Scanner laser

Le laser scanner est un instrument qui permet de faire le relevé d’un objet grâce à un faisceau laser. La lumière laser affecte la surface de l’objet et en fonction du temps de retour (temps nécessaire par le rayon pour revenir au dispositif émetteur), de l’angle de l’appareil et d’autres facteurs, il est possible de déterminer la position exacte dans l’espace de chaque point de l’objet.

Les scanners laser peuvent être divisés en trois catégories :

• à temps de vol (time of Flight – TOF) – la distance est mesurée grâce à la détection du temps écoulé entre l’émission de lumière de l’appareil et son retour. Dans ce cas, l’appareil qui émet le signal fonctionne également comme un récepteur (Ranging scanner).
• à différence de phase (Phase shift) – la distance est mesurée grâce à la connaissance de la différence de phase entre la phase de l’onde laser au moment où le signal est émis et la réception de l’impulsion. Même dans cette situation, l’appareil qui émet le signal est le même que celui qui le reçoit (Ranging scanner).
• à triangulation – la mesure est calculée grâce à la technique de la triangulation et, donc, à des calculs trigonométriques. Dans ce cas, le dispositif qui émet le signal et celui qui le reçoit sont séparés et placés à une distance constante et calibrée. Ce système permet d’obtenir un relevé plus détaillé mais à des distances plus rapprochées.

Le résultat final du relevé est un nuage de points à l’échelle qui correspond à l’objet détecté. Ce modèle est composé de millions de points, dont on connaît les coordonnées spatiales et la valeur de la réflectance des matériaux. De plus, grâce aux caméras intégrées dans les instruments de relevé, vous pouvez également obtenir les « couleurs » de chaque point, afin d’améliorer la qualité de la restitution graphique du relevé.

Les limites du système de relevé par scanner laser sont principalement données par la distance maximale de l’instrument par rapport à l’objet, les surfaces invisibles et les zones d’ombre. Ce sont tous des problèmes qui sont résolus grâce au relever de plusieurs points afin d’obtenir un modèle plus fidèle à la réalité avec une marge d’erreur plus faible.

Relevé avec scanner laser

Laser scanner avec la technologie SLAM

Parmi les systèmes les plus innovants, nous pouvons citer le scanner laser SLAM (Simultaneous Localization And Mapping) qui permet d’effectuer des scans en mouvement, sans avoir besoin de repérer des points fixes pour le relevé.

Avec ce type de scanner laser, vous pouvez vous déplacer dans un espace donné et recréer une carte de l’environnement en vous localisant automatiquement à l’intérieur (donc sans utiliser le GPS).

GeoSlam, système mobile avec technologie Slam. Source : Microgeo.it

Ces appareils peuvent être installés sur des véhicules et des drones, de façons à pouvoir effectuer des relevés de surfaces très étendues dans des délais relativement courts, ou simplement transportés à la main dans des environnements où le signal GPS n’est pas présent.

Ces scanners sont classés dans la sous-catégorie iMMS (indoor Mobile Mapping Systems) appartenant au groupe plus large des MMS (Mobile Mapping Systems). Bien que les premiers aient été optimisés pour les relevés d’intérieurs, ils sont souvent également utilisés à l’extérieur pour scanner les infrastructures, les chantiers, les bâtiments, etc.

Les deux systèmes (MMS et iMMS) ne doivent pas être confondus avec les scanners 3D LiDAR (Light Detection and Ranging) car il s’agit d’une catégorie plus large. Ce qu’il faut savoir, c’est que la technologie LiDAR (technologie qui utilise la lumière laser pour effectuer des mesures) est utilisée pour presque tous les systèmes MMS et iMMS.

Relevé avec technologie Slam

Gestion du nuage de points et génération du modèle BIM

Le nuage de points, comme mentionné, est fondamental pour le processus de génération du modèle paramétrique.

Il existe des logiciels point cloud BIM, tels que Edificius de ACCA software, qui vous permettent d’exploiter de puissants outils de reconnaissance pour obtenir automatiquement les différents éléments présents dans le modèle.

Création du modèle BIM à partir d’un nuage de points issu du logiciel Edificius

Il devient possible de reconnaître des objets tels que des murs, des portes, des fenêtres, des niveaux, de manière automatique et précise, en obtenant un modèle numérique capable de restituer automatiquement les documents nécessaires : 

• dessins (plans, élévations, coupes, etc.)
• rapport technique
• métré
• planning de chantier
• etc.

Expérimentez vous-même à quel point il est facile de construire un modèle BIM à partir d’un nuage de points. Téléchargez la version d’essai du logiciel point cloud to BIM et importez votre nuage de points ou, si vous préférez, téléchargez directement l’un des exemples de fichiers disponible en ligne sur un BIM management system.