Numérisation laser 3D portable dans la documentation du patrimoine souterrain

Capturer, protéger et diffuser les connaissances sur l'histoire à l'aide des technologies modernes

Découvrez comment la technologie SLAM a été utilisée pour scanner un ancien complexe minier en Pologne afin d'assurer la sécurité lors d'un projet visant à préserver l'importance historique, éducative et fonctionnelle du site.

Le patrimoine culturel souterrain est le terme utilisé pour décrire les nombreux sites – naturels et artificiels – sous la surface de la Terre qui peuvent contribuer à la connaissance de l'histoire de la planète. Pour préserver l'environnement, les environnements aux caractéristiques géométriques riches, les espaces clos et les lieux sans lumière naturelle doivent être mesurés et capturés de manière appropriée. Cet article décrit l'utilisation d'un scanner GeoSLAM Zeb Horizon dans un complexe minier historique en Pologne comportant plusieurs passages et deux niveaux de galeries, dont certaines ont également été inondées.

Le patrimoine culturel est devenu largement reconnu par la communauté internationale comme un facteur favorable au développement qui contribue à diffuser les connaissances sur le passé dans les sociétés modernes. Dans ce contexte, les sites souterrains d'origine naturelle ou artificielle peuvent avoir une importance historique, éducative et fonctionnelle. Toutes sortes d'activités minières ont eu un impact énorme sur l'évolution de l'architecture et de la construction au cours des siècles. Il y a une prise de conscience croissante de cela, comme l'illustre l'intérêt croissant pour la transformation d'anciennes mines et de leurs galeries et galeries (entrées et passages) à travers le monde en musées et attractions touristiques.

Dans tout projet de transformation de ce type, la première considération doit être la sécurité – à la fois des travailleurs qui ouvrent la mine et, par la suite, des touristes qui la visiteront. Par conséquent, il est nécessaire de déterminer le mouvement de la masse rocheuse au-dessus des passages, d'effectuer des évaluations de déformation et d'étudier tous les autres processus de la masse rocheuse afin de protéger l'importance historique des sites et de garantir la sécurité de la future attraction touristique. Tout cela nécessite beaucoup de données à collecter et à gérer. Cela signifie que les ingénieurs et les chercheurs sont constamment à la recherche de solutions de cartographie spatiale et de documentation plus efficaces. La technologie SLAM peut offrir la réponse.

La technologie de localisation et de cartographie simultanées (SLAM) évolue depuis de nombreuses années et est maintenant appliquée dans de nombreux domaines. Un appareil basé sur SLAM peut simultanément localiser (se situer dans la carte) et cartographier (créer une carte virtuelle de l'espace mesuré). Il calcule une « meilleure estimation » de l'endroit où il se trouve réellement. De nouvelles informations de position sont recueillies toutes les quelques secondes, les caractéristiques sont alignées et l'estimation est continuellement améliorée. L'un des plus grands avantages du SLAM est probablement qu'il peut faire ce que le GPS ne peut pas faire. Étant donné que le GPS repose sur la triangulation entre les satellites, il doit être capable de "voir" les satellites. Cela signifie qu'il ne fonctionne pas sous terre. SLAM n'a pas ce problème, car il opère dans l'espace lui-même, enregistrant les environs et se souvenant de l'itinéraire.

Dans sa première étape, le scanner laser portable GeoSLAM Zeb Horizon utilise à la fois les données de balayage laser et les données de l'unité de mesure inertielle (IMU). Grâce à la reconnaissance des caractéristiques 3D, le scanner est capable d'identifier et d'enregistrer son emplacement dans n'importe quel espace lorsque l'arpenteur se déplace. Dans ce cas, les "caractéristiques" sont toutes les zones avec une géométrie unique, mesurant au moins 1 mètre de taille et situées à moins de 40 mètres de l'appareil - bien que le GeoSLAM Zeb Horizon ait une portée de 100 m, selon le fabricant. Sur la base des caractéristiques, les scans sont enregistrés (enregistrement scan-to-scan) pour produire un nuage de points 3D enregistré comme résultat final. Cela ne nécessite aucune correspondance supplémentaire. Par conséquent, l'avantage notable de la technologie SLAM est la vitesse à laquelle un nuage de points enregistré final peut être obtenu.

Le complexe Riese est situé dans les montagnes Owl en Basse-Silésie en Pologne, près de la frontière tchèque. Le Riese (qui signifie « énorme ») était l'un des plus grands projets miniers et de construction des Allemands pendant la Seconde Guerre mondiale. On ne sait pas s'il doit son nom au nombre de personnes travaillant à sa construction, à la quantité de béton prévue utilisée ou à la taille de l'infrastructure adjacente. À ce jour, le but du bâtiment est inconnu car tout le projet était top secret. Six structures souterraines ont depuis été découvertes.

La plus grande zone du Riese est le complexe Włodarz qui est ouvert aux touristes en tant que musée souterrain. Il comprend 3 000 m dont de nombreux passages rectilignes et deux niveaux de galeries ou galeries souterraines dont certaines sont inondées. Il s'agissait donc d'un environnement très difficile dans lequel utiliser le scanner.

Ce projet comprenait l'utilisation de plusieurs technologies d'arpentage sur le terrain; en plus d'effectuer des mesures avec le scanner laser portable GeoSLAM Zeb Horizon, l'équipe a effectué un balayage laser terrestre (TLS) avec un Faro Focus 3D, une tachéométrie classique et un GNSS (il va sans dire que cela a été fait à l'extérieur de la galerie).

En cas de balayage laser portatif, il est recommandé de faire quelques préparatifs avant de prendre les mesures exactes. Les étapes préparatoires comprennent la planification de l'itinéraire de capture et les emplacements de départ et d'arrivée par rapport au projet, en s'assurant qu'il y a suffisamment de fonctionnalités pour l'enregistrement des scans, en planifiant les boucles et les fermetures de boucles, et en estimant le nombre de scans pour enregistrer l'ensemble de la zone d'intérêt. De plus, il est primordial de rappeler que chaque boucle doit être bouclée (départ et arrivée au même endroit) en 20 minutes maximum. La fermeture des boucles est très importante pour la précision du SLAM, plus de boucles équivalant à une meilleure précision. Étant donné que le complexe de Włodarz est disposé selon une disposition en grille, il était facile de planifier les boucles à chaque niveau. Cependant, il était important de prévoir des mesures et des boucles à tous les niveaux. Les géomètres ont réalisé au total six boucles couvrant l'ensemble des galeries, galeries et niveaux, y compris en bateau pour ceux qui ont été inondés. Il a fallu un total de deux jours pour effectuer tous les levés avec le scanner portable, y compris la planification et l'apprentissage de l'utilisation de l'appareil. Si un scanner fixe avait été utilisé à la place, il aurait fallu beaucoup plus de temps pour effectuer les mesures - probablement jusqu'à une semaine pour un très grand site. Au final, le relevé à l'aide du Zeb Horizon lui-même a pris quelques heures, tandis que le post-traitement des données dans le logiciel GeoSLAM Hub + Draw a pris plusieurs heures supplémentaires.

Tous les scans de GeoSLAM ont été post-traités dans GeoSLAM Hub + Draw, puis exportés au format .e57 et visualisés et analysés dans Cloud Compare (voir Figure 3). Comme base pour une analyse plus approfondie, telle que le calcul du volume et de la surface d'un complexe donné, le modèle de maillage triangulaire a été créé : une collection de sommets, d'arêtes et de faces qui définit la forme d'un site inventorié (voir Figure 4). Toutes les informations obtenues à partir du nuage de points, du maillage et de son post-traitement sont présentées dans le tableau 1.

Il est important de documenter l'histoire architecturale et archéologique, et les sites du patrimoine culturel – et en particulier les sites souterrains – nécessitent un traitement particulier en termes de mesure, de protection mais aussi de diffusion des connaissances à leur sujet. Le balayage laser, qu'il soit portatif ou TLS, est une méthode universelle sans contact qui, associée aux techniques géodésiques classiques, peut être facilement utilisée dans l'inventaire des sites souterrains. Les nuages ​​de points résultants permettent la création de modèles spatiaux et, après post-traitement, prennent en charge une analyse informatique plus approfondie. Les scanners portables (y compris le GeoSLAM Zeb Horizon) reproduisent les dérives avec une précision suffisante pour la préparation de la documentation sur les sites souterrains du patrimoine culturel. Cependant, il n'est pas recommandé d'utiliser SLAM lorsque des mesures très précises sont requises (par exemple pour l'évaluation de la déformation). Des techniques plus précises et détaillées telles que TLS sont nécessaires pour des mesures et des analyses plus précises. Néanmoins, les géodonnées SLAM peuvent être utiles aux professionnels de nombreux domaines à finalité sociale, tels que les historiens, les géophysiciens, les archéologues et les géologues, ce qui souligne le caractère interdisciplinaire de ce type de recherche.

Lectures complémentaires

Hassani F., Documentation des techniques, potentiels et contraintes du patrimoine culturel, The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XL-5/W7, 2015, 25th International CIPA Symposium 2015, 31 août – 4 septembre 2015, Taipei, Taïwan (2015)

Ochałek A., Jabłoński M., Lipecki T., Jaśkowski W., Méthodologie des inventaires historiques d'objets souterrains–contribution, Geoinformatica Polonica (2018) doi : 10.5194/isprsarchives-XL-5-W7-207-2015

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Agnieszka Ochałek est diplômée de la Faculté d'arpentage minier et d'ingénierie environnementale de l'Université AGH...

Tomasz Lipecki est professeur au Département de protection des zones minières, de géoinformatique et d'exploitation minière.

Wojciech Jaśkowski est professeur à l'Université des sciences et technologies AGH de Cracovie, en Pologne. Exploitation minière...