Comprendre la cartographie SLAM : scanners lidar portables et cartographie mobile
À retenir
- La cartographie SLAM estime ensemble le parcours du scanner et la carte ; elle ne nécessite donc ni signal GNSS ni stations sur trépied.
- Le SLAM lidar est la référence en topographie ; le SLAM visuel coûte moins cher mais est plus sensible à la lumière et à la texture.
- La dérive est le principal risque pour la précision ; les boucles fermées et les points d’appui sont les principaux moyens de la maîtriser.
- Les scanners SLAM portables sont généralement plusieurs fois plus rapides que la numérisation terrestre, avec une précision moindre mais souvent suffisante.
- Planifiez le parcours de marche aussi soigneusement que les stations sur trépied.
Qu’est-ce que la cartographie SLAM ?
La cartographie SLAM signifie localisation et cartographie simultanées : un capteur mobile construit une carte d’un environnement inconnu tout en estimant sa propre position dans cette carte. Elle résout une dépendance circulaire : cartographier précisément exige une position connue, et se positionner exige une carte.
La technologie SLAM est née en robotique, où les robots doivent naviguer en intérieur sans GNSS. En topographie, elle équipe les scanners laser portables et sur sac à dos qui capturent bâtiments, tunnels, mines et forêts pendant que l’opérateur marche. La sortie est un nuage de points similaire à celui d’un scanner sur trépied, mais acquis en continu.
Le SLAM est une forme de cartographie mobile, terme plus large pour l’acquisition de données spatiales depuis une plateforme en mouvement. Notre article sur le fonctionnement des scanners lidar traite de la partie capteur.
Comment fonctionne un algorithme SLAM ?
Un algorithme SLAM prédit de façon répétée le déplacement du scanner, vérifie cette prédiction par rapport aux observations du capteur, puis met à jour le parcours et la carte.
Le processus comporte deux parties principales. Le traitement frontal assure le suivi à court terme : une centrale inertielle (IMU) prédit le mouvement sur des fractions de seconde, et le recalage des scans aligne chaque balayage lidar sur la carte récente, affinant la pose, c’est-à-dire la position et l’orientation. Le traitement global assure la cohérence d’ensemble : il stocke les poses dans un graphe et les optimise pour rendre toute la trajectoire cohérente.
De petites erreurs s’accumulent le long du parcours : c’est la dérive. Lorsque le scanner revient dans un lieu déjà observé, l’algorithme détecte cette fermeture de boucle et répartit la correction sur la trajectoire précédente. Le post-traitement répète généralement cette optimisation de façon plus poussée qu’en temps réel, d’où des données SLAM post-traitées souvent plus propres que l’aperçu en direct.
SLAM lidar ou SLAM visuel
Le SLAM peut utiliser un lidar, des caméras ou les deux. Le SLAM lidar domine la topographie professionnelle ; le SLAM visuel est courant en robotique, dans les téléphones et appareils grand public.
| Critère | SLAM lidar | SLAM visuel (SLAM par vision) |
|---|---|---|
| Capteur | Lidar rotatif et IMU | Une ou plusieurs caméras, souvent avec IMU |
| Mesure de distance | Directement, par télémétrie laser | Indirectement, par géométrie d’images ou caméras de profondeur |
| Éclairage | Fonctionne dans l’obscurité | Nécessite une lumière et une texture suffisantes |
| Précision type | Précision centimétrique pour les appareils topographiques | Variable ; l’échelle peut dériver sans données de profondeur |
| Coût | Plus élevé | Plus faible |
| Utilisation principale | Topographie, mines, construction, foresterie | Navigation robotique, réalité augmentée, numérisation grand public |
De nombreux scanners SLAM topographiques ajoutent des caméras pour coloriser le nuage, et certains utilisent les caractéristiques visuelles pour aider dans les espaces à géométrie répétitive.
Types de systèmes de cartographie mobile
Les systèmes de cartographie mobile diffèrent par leur plateforme, chacun équilibrant vitesse de couverture, accessibilité et méthode de positionnement.
- Scanners SLAM portables : appareils légers à un opérateur pour bâtiments, cages d’escalier, locaux techniques et espaces souterrains.
- Systèmes sur sac à dos : capteurs plus lourds portés sur le dos, souvent avec GNSS pour les longs parcours extérieurs.
- Lidar de cartographie mobile sur véhicule : capteurs sur voitures ou chariots ferroviaires, positionnés par GNSS et IMU, pour routes et corridors ferroviaires.
- Plateformes robotiques : SLAM sur robots à roues ou à pattes pour inspections répétées et zones dangereuses.
En extérieur, un système lidar de cartographie mobile peut combiner SLAM et GNSS pour limiter la dérive sur les longues distances. En intérieur et en souterrain, le SLAM est la seule méthode de positionnement et les points d’appui deviennent plus importants.
Quelle est la précision d’un scanner SLAM ?
Les scanners SLAM topographiques atteignent généralement une précision relative centimétrique, tandis que la précision absolue sur un grand site dépend de la maîtrise de la dérive et de l’appui au sol.
Les fabricants annoncent souvent l’épaisseur du nuage ou la précision relative, qui décrit le resserrement des points sur une surface plane. Ce n’est pas la même chose que la précision globale à l’échelle d’un bâtiment. Les erreurs absolues augmentent avec la longueur du parcours, une géométrie peu favorable et l’absence de fermetures de boucle.
Les facteurs influant sur la précision du SLAM comprennent :
- La longueur du parcours entre les fermetures de boucle.
- Les espaces sans détails ou répétitifs, comme les longs couloirs et tunnels.
- Les rotations rapides, secousses ou déplacements très lents dans les passages de porte.
- Les objets mobiles : personnes, véhicules et machines.
- Le nombre et la répartition des points d’appui contraignant la trajectoire.
Lorsque la précision doit être plus stricte, combinez le SLAM avec des scans terrestres ou un canevas topographique. Notre article sur la précision et la méthode de numérisation laser terrestre explique l’alternative statique.
Méthode de terrain pour la numérisation SLAM portable
La qualité des données SLAM dépend surtout du parcours. Une méthode de terrain typique est la suivante :
- Planifiez le parcours : concevez des boucles fermées de longueur modérée, commençant et finissant au même point, et évitez les longues impasses.
- Installez l’appui : placez à intervalles réguliers des cibles ou des points de coordonnées connues si le nuage doit correspondre à une grille topographique.
- Initialisez : commencez dans une zone dégagée riche en détails et maintenez le scanner immobile pendant la durée indiquée par l’appareil.
- Marchez régulièrement : gardez une allure normale et constante, tournez lentement et marquez une brève pause en franchissant les portes.
- Fermez les boucles : repassez dans les zones déjà numérisées, notamment au point de départ à la fin.
- Examinez les données en direct : surveillez l’aperçu temps réel pour détecter lacunes et défauts d’alignement, puis rescanez les zones problématiques.
- Post-traitez : lancez l’optimisation, appliquez l’appui et exportez aux formats standard pour le traitement des nuages de points.
SLAM ou numérisation terrestre : quand utiliser chacun
Utilisez le SLAM lorsque la rapidité et la couverture priment sur la précision millimétrique, et la numérisation terrestre lorsque les tolérances strictes ou les longues portées sont prioritaires.
Le SLAM convient aux plans d’étage, à l’aménagement des espaces, aux contrôles de volumes, aux levés miniers et de tunnels, aux inventaires forestiers et au suivi d’avancement. Il atteint aussi les endroits peu adaptés aux trépieds, comme les cages d’escalier étroites et plénums. La numérisation terrestre reste privilégiée pour les charpentes métalliques, la fabrication de tuyauteries, la surveillance des déformations et les façades à grande distance.
| Besoin | Solution la plus adaptée |
|---|---|
| Plans d’étage et gestion des espaces d’un grand bâtiment | SLAM |
| Assemblages métalliques ou tronçons de tuyauterie à fabriquer | Scanner terrestre |
| Mine souterraine ou profil de tunnel | SLAM, avec appui à intervalles réguliers |
| Façade ou structure suivie dans le temps | Scanner terrestre |
| Capture hebdomadaire de l’avancement du chantier | SLAM |
De nombreuses équipes utilisent les deux : le SLAM pour la couverture globale, les scans terrestres pour les zones critiques, le tout recalé ensemble.
Scanners SLAM Mars Geosystems
Le scanner laser SLAM portable Mars Geosystems permet de numériser en marchant, avec une portée de 0,1–70 m à 80 % de réflectivité et un laser de 905 nm. L’épaisseur du nuage de points est de 2 cm ou moins en temps réel et de 1 cm ou moins après post-traitement. L’unité principale pèse 925 g, ou 1450 g avec poignée et base, et se connecte par WLAN et USB.
Pour les projets nécessitant un niveau de détail de scanner sur trépied dans les zones critiques, il s’associe à notre scanner terrestre à déphasage. Les commandes commencent à une unité, avec des options OEM pour distributeurs. Indiquez vos projets habituels sur la page de devis pour être conseillé sur la bonne configuration SLAM.
Pour approfondir avec nos ingénieurs : ce qu’est le SLAM et le fonctionnement de son algorithme.
Questions fréquentes
Que signifie SLAM en cartographie ?
SLAM signifie localisation et cartographie simultanées. C’est une technique où un capteur mobile construit une carte de son environnement tout en calculant sa propre position dans cette carte. Elle est utilisée en robotique, véhicules autonomes, réalité augmentée et scanners laser portables qui lèvent sans GNSS ni trépieds.
Quelle différence entre SLAM et cartographie mobile ?
La cartographie mobile est le terme général désignant l’acquisition de données spatiales depuis une plateforme en mouvement, comme un véhicule, un sac à dos ou un appareil portable. Le SLAM est l’une des techniques de positionnement utilisées. Les systèmes sur véhicule reposent souvent surtout sur le GNSS et l’IMU, tandis que les systèmes portables et intérieurs reposent sur le SLAM.
Quelle est la précision de la cartographie SLAM ?
Les scanners SLAM lidar de qualité topographique atteignent généralement une précision relative centimétrique, avec des surfaces bien définies après post-traitement. La précision absolue sur un grand site dépend du parcours, des fermetures de boucle et des points d’appui. Les longs trajets sans boucle, couloirs sans détails et objets mobiles augmentent la dérive et réduisent la précision.
Les scanners SLAM fonctionnent-ils en extérieur ?
Oui. Les scanners SLAM portables fonctionnent dans les rues, forêts, carrières et autour des bâtiments, à condition de disposer d’assez de surfaces à portée pour associer les scans. Les grands champs ouverts avec peu de détails peuvent être difficiles. Certains systèmes combinent SLAM et GNSS en extérieur pour limiter la dérive sur de longues distances.
Qu’est-ce que le SLAM visuel ?
Le SLAM visuel utilise des caméras à la place ou en complément du lidar pour suivre le mouvement et construire une carte à partir de caractéristiques d’images. Il est moins cher et plus léger, convenant aux robots et téléphones, mais dépend de la lumière et de la texture. Sans capteur de profondeur, son échelle peut dériver ; la topographie repose donc généralement sur le SLAM lidar.
Quels logiciels utilise-t-on pour la numérisation SLAM ?
Les scanners SLAM sont généralement fournis avec un logiciel de traitement optimisant la trajectoire, appliquant les fermetures de boucle et l’appui, colorisant les points et exportant le nuage. Après export dans des formats ouverts comme LAS ou E57, les données peuvent être utilisées dans toute application de nuages de points, CAO, BIM ou SIG pour le dessin, la modélisation, le calcul de volumes ou l’analyse.
Faut-il des points d’appui pour la numérisation SLAM ?
Pour des mesures relatives dans un seul bâtiment, de bonnes fermetures de boucle peuvent suffire. Lorsque le nuage doit correspondre à un système topographique ou que le parcours est long, des points d’appui mesurés à la station totale ou au GNSS contraignent la dérive et permettent des contrôles indépendants. Ils sont vivement recommandés pour les livrables professionnels.
Besoin de matériel pour ces travaux ?
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