Cartographie 3d d’environnements urbains

Le domaine de la cartographie est en pleine évolution depuis plusieurs dizaines d’années suite aux développements des outils informatiques. Le mot « Cartographie» formé des mots grecs « Cartis = carte» et « graphein = écrire » signifie « réalisation de cartes ». La réalisation de cartes sert à créer des bases de données pour les Systèmes d’Informations Géographiques (SIG).

Usages des données cartographiques

Navigation et déplacements

Une des principales utilisations de données cartographiques dans le grand public est la navigation, permettant de s’orienter et de parvenir à destination.

Les informations routières enregistrées permettent de visualiser la localisation actuelle du véhicule (ou de la personne) à l’aide des informations issues du GNSS (Global Navigation Satellite System), et de montrer le chemin pour arriver à destination. Les données utilisées sont souvent en 2D mais avec les dernières avancées technologiques, les données 3D sont aussi de plus en plus utilisées.

Tourisme et patrimoine

Ces technologies sont utilisées aussi dans le domaine du tourisme par la création virtuelle de villes ou d’endroits spécifiques. Cela permet de découvrir facilement les villes ou les patrimoines que l’on souhaite visiter sans se déplacer physiquement.

Surveillance des infrastructures

En matière de sécurité civile, les données cartographiques peuvent aussi être appliquées à la surveillance des infrastructures. L’image de gauche représente l’utilisation de données de fils électriques, permettant de relever leur hauteur minimale afin de prévenir un risque de collision. L’image de droite représente l’utilisation de données d’un pont pour la restitution d’une scène d’accident, sans être soumis aux contraintes extérieures de circulation.

Systèmes mobiles terrestres de cartographie 3D

Les nouvelles demandes de grandes bases de données 3D nécessitent de combiner les exigences d’une grande couverture de zone d’intérêt, avec celles de la capture d’un niveau de détail élevé, le tout avec des contraintes fortes de temps et de budget limités. Les systèmes aériens fournissent des données de grande taille des objets ou de scènes rapidement, mais les données ne contiennent pas les détails des objets. Les systèmes statiques fournissent des données de bonne qualité, mais il est long et difficile de produire des données sur un objet de grande dimension comme une rue ou même une ville entière. Les systèmes mobiles terrestres de cartographie sont ainsi apparus comme un compromis entre les autres méthodes. Ils consistent en une collecte d’informations sur plateforme mobile terrestre.

Un système de ce type se décompose en trois parties : un système de perception, un système de localisation et une plateforme mobile . Le système de perception acquiert, à tout moment, des informations de la scène qui l’entoure. Il peut être composé de plusieurs capteurs, par exemple, une ou plusieurs caméras, un ou plusieurs scanners laser, etc. Le système de localisation calcule la position et l’orientation du système à tout moment. Il peut contenir plusieurs capteurs, par exemple, une ou plusieurs antennes et un récepteur GPS, une centrale inertielle, un odomètre, une boussole numérique, etc. La plateforme mobile est composée non seulement du véhicule mais aussi des supports des systèmes intégrés, comme l’alimentation et la connectique électrique, l’unité de contrôle, etc.

Recherche sur les systèmes mobiles de cartographie

Amélioration de la précision des relevés laser

L’étude sur la précision des relevés laser un thème actuel important de recherche dans le domaine de la cartographie mobile. La précision des points 3D est directement liée à la localisation du système. L’objectif du système de localisation est de calculer le plus précisément possible la trajectoire de la plateforme au cours de l’acquisition. Plusieurs capteurs sont utilisés pour la localisation telle que le GPS, la centrale inertielle et odomètre. Mais les capteurs ont des erreurs systématiques et des contraintes. La localisation est donc calculée en faisant la fusion de données issues des différents capteurs [Grinstead et al, 2006]. En plus des informations issues de l’intégration du GPS et de la centrale inertielle, l’utilisation des informations de perception contribue à l’amélioration des informations de localisation tels que le recalage des données images [Grinstead et al, 2005, Kingston et al, 2007] ou l’utilisation des cibles [El-Hakim et al, 1997]. Les données laser elles-mêmes peuvent être utilisées pour améliorer les informations de localisation [Früh et Zakhor, 2004, Howard et al, 2004].

Comparaison des temps opératoires

Avec le Trimble VX, une heure est nécessaire pour chaque station : 20 minutes pour la préparation (l’installation et la désinstallation) et 40 minutes pour l’acquisition incluant le temps de recalage local. Le géo-référencement des données n’a pas été comptabilisé. Le temps nécessaire pour la génération du nuage de points avec un logiciel est négligeable. Ainsi, nous avons pris au total environ 6 heures, de la préparation de l’acquisition à la génération des nuages de points.

Avec LARA-3D, l’acquisition a duré environ une minute. Trente minutes de préparation étaient nécessaires. La génération du nuage de points a nécessité moins de 10 minutes. Ainsi, cette manipulation a duré environ 41 minutes au total.

Cette comparaison montre clairement, sans surprise, qu’un système mobile est capable de réduire le temps d’acquisition. Si nous imaginions de faire l’acquisition d’une plus grande zone, la différence de temps total serait plus conséquente, car il faudrait effectuer plusieurs stations supplémentaires avec le système statique, ce qui implique une heure supplémentaire à chaque fois, alors que quelques minutes supplémentaires suffiraient à l’acquisition des données avec le système mobile.

Néanmoins, la rapidité d’acquisition présenterait peu d’intérêt si la qualité des données acquises n’était pas garantie. En effet, l’absence de qualité nécessiterait un temps supplémentaire pour améliorer la qualité des données soit en procédant à une nouvelle acquisition, soit par un post-traitement des données. Ainsi, la qualité des données est un facteur important à prendre en considération .

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Table des matières

CHAPITRE 1.INTRODUCTION
1.1 CONTEXTE
1.2 CONTRIBUTIONS
1.3 PLAN DU DOCUMENT
CHAPITRE 2.CARTOGRAPHIE 3D D’ENVIRONNEMENTS URBAINS
2.1 INTRODUCTION
2.2 USAGES DES DONNEES CARTOGRAPHIQUES
2.3 PRINCIPES D’ACQUISITION DE DONNEES CARTOGRAPHIQUES
2.3.1 Photogrammétrie aérienne
2.3.2 Lasergrammétrie
2.4 SYSTEMES MOBILES TERRESTRES DE CARTOGRAPHIE 3D
2.4.1 Systèmes en photogrammétrie / imagerie
2.4.2 Systèmes en lasergrammétrie
2.5 SCANNERS LASER POUR LES SYSTEMES MOBILES DE CARTOGRAPHIE
2.6 CONCLUSION
CHAPITRE 3.COMPARAISON ET ANALYSE DES RELEVES LASER
3.1 INTRODUCTION
3.2 COMPARAISON EXPERIMENTALE DES SYSTEMES STATIQUE ET MOBILE
3.2.1 Zone de test
3.2.2 Acquisition
3.2.3 Comparaison des temps opératoires
3.3 ANALYSE QUALITATIVE DES RELEVES LASER
3.3.1 Critères de qualité
3.3.2 Comparaison des données réelles en termes de qualité
3.3.3 Notes globales pour l’analyse
3.4 CONCLUSION
CHAPITRE 4.IMPACT EXPERIMENTAL DE LA GEOMETRIE D’ACQUISITION
4.1 INTRODUCTION
4.2 VARIATION DE L’ANGLE DE LACET
4.2.1 Réalisation du prototype
4.2.2 Acquisition de données
4.3 VARIATION DE L’ANGLE DE TANGAGE
4.3.1 Réalisation du prototype
4.3.2 Acquisition de données
4.4 CONCLUSION
CHAPITRE 5.CONCEPTS DE SCANNERS LASER MOBILES
5.1 INTRODUCTION
5.2 OUTIL DE CONCEPTION ASSISTEE PAR ORDINATEUR
5.2.1 Processus de conception
5.2.2 Simulateur de Système Mobile de Cartographie
5.3 ANALYSE COMPARATIVE DES CONCEPTS DE SCANNER LASER MOBILE
5.3.1 Objectif et conception
5.3.2 Création de scénarios
5.3.3 Proposition de concepts de type « Mono-plan »
5.3.4 Proposition de concepts de type « Multi-plans »
5.4 CONCLUSION
CHAPITRE 6.PROTOTYPAGE DE SCANNER LASER DEDIE
6.1 INTRODUCTION
6.2 PROTOTYPAGE DE SCANNER MULTI-PLANS : FORME EN K
6.2.1 Etude de faisabilité
6.2.2 Réalisation
6.3 TESTS ET RESULTATS
6.3.1 Acquisition sur chariot
6.3.2 Acquisition sur véhicule
6.3.3 Comparaison des scanners de type mono-plan et de forme en K
6.4 CONCLUSION
CHAPITRE 7.CONCLUSIONS