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Un scanner laser tridimensionnel est un appareil qui analyse les objets ou leur environnement proche pour recueillir rapidement des informations géométriques précises sur la forme et éventuellement sur l’apparence (couleur, texture…) de ceux-ci. Ce scanner laser peut être utilisé en construction pour scanner les terrains, des bâtiments… afin de produire une modélisation en trois dimensions. Son rayon est orientable sur un très large horizon : grâce à la rotation horizontale de sa tête, un miroir le dirige verticalement. Le rayon laser sert à mesurer la distance avec le premier objet coupant le faisceau. Ces scanners laser existent depuis plus de 50 ans. La numérisation de la construction (BIM), la plus grande portabilité et rapidité des instruments couplés avec la baisse des coûts ont popularisé leur usage. Leurs utilisations sont nombreuses et ils on trouve une gamme très large, avec des modèles allant de quelques centaines d’euros pour un simple appareil portatif à des sommes à 6 chiffres pour des scanners de qualité métrologique.

Bien que les systèmes basés sur des drones soient de plus en plus répandus dans le secteur de la construction et de la logistique, nous nous référerons principalement au scanner laser terrestre (TLS). Ce sont des appareils au sol, montés sur un trépied ou un autre objet fixe. D’une manière générale, les TLS peuvent être divisés en quatre catégories : niveau d’entrée professionnel, qualité de contrôle, d’ingénierie topographique et enfin de métrologie.

Ce qui distingue les différents modèles de Scanner Laser 3D est la précision, le bruit, la portée, la capacité de mesurer et éventuellement de compenser les mouvements pendant l’utilisation et la portabilité.

Pour le BIM (modélisation de bâtiments), la précision n’est pas trop exigeante mais la portabilité, la facilité d’utilisation et le prix se placent en avant sur la liste des priorités.

À l’opposé, si vous avez besoin d’une précision de 300 microns à 60 mètres avec un bruit très faible (répétabilité élevée), le prix d’un laser de qualité métrologique est ce que vous devez payer.

Pour donner une vue d’ensemble du profil de surface d’un sol, un scanner d’entrée de gamme professionnelle peut être suffisant. Ces instruments peuvent être très utiles pour les validations de plateforme ou les balayages sur béton frais en temps réel lors de la phase de construction du dallage béton.

Cependant, pour mesurer et collecter des données adaptées à l’analyse de la régularité de la surface du sol au niveau inférieur au millimètre – comme cela est nécessaire pour vérifier la conformité aux normes actuelles (ASTM, TR34, DIN, EN) –  et apporter des informations scientifiquement exploitables, seul un scanner de qualité d’ingénierie topographique convient.

Un scanner 3D tel que la gamme Leica® P40 / P50 a non seulement la précision angulaire, la précision de la portée et le faible bruit, mais avec un compensateur intégré, les petits mouvements détectés par les vibrations durant le balayage sont automatiquement compensés. Sur un chantier de construction, les vibrations sont un risque toujours présent qui vont affecter la répétabilité des résultats s’ils ne sont pas éliminés lors de la prise de mesure.

Alors, comment la précision d’un scanner laser 3D se compare-t-elle à un équipement de mesure plus conventionnel par mesure de profils (comme un Dipstick® à mesure gyroscopique ou un profilographe) pour mesurer la planéité de la surface du sol ? Cette analyse est un vrai casse-tête.

En premier lieu, chaque fabricant de scanner semble avoir sa propre méthode de présentation des caractéristiques techniques de ses appareils. Ce n’est pas non plus beaucoup plus clair pour les équipements de mesure classiques qui maintiennent le secret sur les instruments embarqués. Après un véritable travail de détective et nombre de mesures comparatives à échelle réelle dans des entrepôts, il est possible d’établir une grille comparative entre différents instruments.

Pour mesurer l’élévation, la précision angulaire verticale est le principal facteur déterminant. Pour un Leica P40, cela équivaut à 8 secondes d’arc (il y a 3600 secondes d’arc à 1 degré).

Certains appareils de mesure de planéité sont annoncés comme ayant une précision de +/- 0,0125mm.

Cependant, un Dipstick® ou un profilographe ne mesurent pas directement le changement d’altitude. Ils calculent cela à partir de l’angle mesuré entre deux points par un inclinomètre intégré. Le diagramme suivant explique le processus et la différence de précision angulaire.

Les deux technologies sont donc essentiellement équivalentes avec une précision angulaire d’environ 8”. Jusqu’ici tout va bien.

Cependant, les appareils classiques de mesure de profil ont cette erreur potentielle entre 2 points discrets, distants de 300 mm (ou environ 1 pied). Chaque mesure successive a un potentiel d’erreur égal, ce qui aggrave l’erreur sur la durée du test.

Un scanner laser, en revanche, a la même erreur sur la distance des données collectées. L’erreur d’élévation potentielle augmentera à mesure que l’on s’éloignera du scanner, mais la précision angulaire restera constante. En conséquence, pour contrôler l’erreur d’élévation, les données sont collectées à partir de plusieurs emplacements de balayage sur un rayon d’une dizaine de mètres. Le protocole de positionnement et de reprise de mesure va conditionner la répétabilité de la mesure représentant la superposition de plusieurs séries de balayage laser.  

Pour vraiment comprendre la fiabilité des données collectées par les différentes méthodes, nous devons donc prendre en compte l’incertitude et l’intervalle de confiance de l’ensemble du processus de test. Il faudra prendre en compte l’incertitude apportée par une mesure statistique d’un certain nombre de profils avec l’analyse de l’intégralité de la surface apportée par un relevé avec un scanner laser 3D. Cette analyse statistique et numérique fera ainsi l’objet d’un prochain article.

Christophe Cortinovis
(d’après l’article en anglais de Andrew Keen)

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