Qu'est-ce que le SLAM ? La localisation et cartographie simultanées expliquées aux géomètres
À retenir
- SLAM signifie localisation et cartographie simultanées : le capteur estime sa trajectoire et construit la carte dans un même processus.
- Les systèmes SLAM topographiques associent généralement un lidar rotatif et une centrale inertielle (IMU) ; le SLAM visuel utilise des caméras à la place.
- Les erreurs s'accumulent sous forme de dérive le long du parcours ; les fermetures de boucle et les points d'appui maintiennent donc la précision du nuage SLAM.
- Le SLAM portable fournit généralement une précision relative centimétrique, tandis qu'un scanner terrestre sur trépied reste le choix pour les travaux millimétriques.
- Le SLAM fonctionne en intérieur, sous terre et sous la canopée, là où les signaux GNSS sont bloqués.
Qu'est-ce que le SLAM (localisation et cartographie simultanées) ?
La localisation et cartographie simultanées est le problème informatique consistant à construire la carte d'un environnement inconnu tout en suivant simultanément la position du capteur dans cette carte. Les deux tâches dépendent l'une de l'autre : il faut une carte pour savoir où l'on est, et savoir où l'on est pour y placer de nouvelles mesures. Le SLAM résout les deux ensemble.
Le terme vient de la recherche en robotique de la fin des années 1980 et des années 1990, lorsque les robots mobiles devaient se déplacer dans des pièces sans plan. L'expression anglaise est parfois développée sous la forme simultaneous location and mapping, et s'écrit en anglais britannique simultaneous localisation and mapping ; ces trois formulations désignent la même idée. Aujourd'hui, les mêmes algorithmes fonctionnent dans les aspirateurs robots, les véhicules autonomes, les drones et, pour notre domaine, les scanners portables et en sac à dos utilisés en topographie.
Pour un géomètre, le principe est simple : un système SLAM permet de parcourir un bâtiment, un tunnel ou une forêt et d'obtenir un nuage de points 3D géoréférençable, sans installer un trépied à chaque station. Notre guide de numérisation SLAM et cartographie mobile présente les parcours et la préparation des projets ; cet article explique le fonctionnement de l'algorithme.
Comment la localisation et la cartographie SLAM fonctionnent-elles étape par étape ?
La localisation et la cartographie SLAM s'effectuent en boucle continue : prédire le mouvement, mesurer l'environnement, apparier la mesure à la carte, actualiser la position et la carte, puis corriger périodiquement toute la trajectoire. Une chaîne lidar-inertielle typique suit ces étapes :
- Prédiction du mouvement. L'IMU, composée d'accéléromètres et de gyroscopes, mesure le mouvement des centaines de fois par seconde et prédit le déplacement du scanner depuis la dernière trame lidar.
- Acquisition du scan. La tête lidar rotative enregistre une trame de distances autour de l'opérateur, souvent à plusieurs centaines de milliers de points par seconde.
- Extraction des caractéristiques. Le logiciel sélectionne les éléments stables, comme les plans des murs, sols et plafonds, les arêtes et les angles, et écarte si possible les objets mobiles.
- Appariement des scans. La nouvelle trame est alignée sur la carte locale à partir de la prédiction IMU. Cela affine la position et l'orientation, appelées la pose.
- Mise à jour de la carte. Les points alignés sont ajoutés à la carte, qui s'étend au fil de la marche.
- Fermeture de boucle. Lorsque le système reconnaît un lieu déjà cartographié, il mesure l'écart entre les deux passages.
- Optimisation globale. L'optimisation du graphe de poses répartit cette correction sur toute la trajectoire afin que la carte se ferme correctement, sans murs dédoublés.
Les étapes 1 à 5 forment souvent le front-end et s'exécutent en temps réel ; les étapes 6 et 7 constituent le back-end, ce qui explique pourquoi les résultats SLAM post-traités sont généralement plus propres que l'aperçu en direct.
Quels sont les principaux types de SLAM ?
Les systèmes SLAM sont classés selon le capteur qui observe l'environnement : lidar, visuel ou fusion de plusieurs capteurs. La cartographie mobile de qualité topographique utilise presque toujours un lidar avec IMU, car le lidar mesure directement les distances et fonctionne dans l'obscurité.
| Type | Capteurs principaux | Atouts | Limites |
|---|---|---|---|
| SLAM lidar 2D | Scanner laser monoplan, odométrie des roues | Plans d'étage simples et robustes pour robots | Pas de modèle 3D complet ; suppose des sols plans |
| SLAM 3D lidar-inertiel | Lidar rotatif multifaisceaux + IMU | Vrais nuages de points 3D, fonctionnement dans l'obscurité, précision relative centimétrique | Difficultés dans les longs couloirs sans détails et les champs ouverts |
| SLAM visuel | Une ou plusieurs caméras, souvent avec IMU | Faible coût, faible poids, acquisition de la couleur | Nécessite lumière et texture ; échelle et précision moins fiables que le lidar |
| Fusion multicapteurs | Lidar + IMU + caméras, éventuellement GNSS | Solution la plus robuste ; nuages colorisés ; rattachement GNSS des portions extérieures | Plus coûteuse et plus complexe à étalonner |
Le SLAM 3D est la catégorie pertinente pour la topographie, le BIM et les mines. Le SLAM visuel est courant dans les téléphones, casques de réalité augmentée et petits robots, mais rarement utilisé lorsque le client impose une précision du nuage de points.
Quelle est la précision du SLAM et d'où vient la dérive ?
Un bon système lidar SLAM atteint généralement 1 à 3 cm de précision relative dans un environnement bien structuré, mais son erreur augmente avec la distance parcourue si aucune fermeture de boucle ou point d'appui ne la corrige. Cette croissance de l'erreur s'appelle la dérive.
La dérive provient des petites erreurs d'appariement de chaque scan et de l'IMU, qui s'accumulent le long de la trajectoire. Elle est maximale lorsque la géométrie offre peu de repères à l'algorithme :
- longs couloirs et tunnels uniformes où chaque trame se ressemble dans l'axe ;
- parkings ouverts, champs et toitures plates avec peu d'éléments verticaux ;
- cages d'escalier parcourues trop vite, avec virages serrés et changements brusques de vue ;
- scènes comportant beaucoup de personnes, véhicules ou végétation en mouvement par vent fort.
Selon l'expérience de nos ingénieurs, le meilleur gain de précision vient des parcours en boucles fermées : commencez et terminez au même endroit et recroisez votre trajet toutes les quelques minutes. Notre scanner laser SLAM portable annonce une épaisseur de nuage de points de 1 cm ou moins après post-traitement et de 2 cm ou moins en temps réel, avec une portée de 0,1 à 70 m. Ces chiffres décrivent une précision relative dans de bonnes conditions ; la précision absolue dépend aussi du rattachement au canevas.
Comment géoréférencer un nuage de points SLAM ?
Le nuage SLAM est créé dans un repère local propre. Pour le placer dans le système du projet, rattachez-le à des points d'appui levés. Cela contraint également la dérive sur les longs parcours.
- Établissez des cibles ou repères d'appui le long du parcours avec un récepteur GNSS RTK en extérieur ou une station totale en intérieur.
- Pendant le scan, arrêtez-vous sur chaque repère ou numérisez des cibles identifiables pour que le logiciel puisse les marquer.
- Au traitement, saisissez les coordonnées d'appui et exécutez une compensation contrainte de la trajectoire.
- Vérifiez et indiquez les résidus sur des points de contrôle indépendants non utilisés dans la compensation.
Nous recommandons en pratique un point d'appui au début et à la fin de chaque boucle, plus un point tous les 50 à 100 m environ sur les longs parcours linéaires, comme les tunnels. Pour le recalage et le nettoyage, consultez notre article sur le traitement des nuages de points.
Quelles sont les principales applications de la localisation et cartographie simultanées ?
Les principaux usages sont la navigation des robots et véhicules ainsi que l'acquisition 3D rapide dans les espaces où le scanner sur trépied ou le GNSS est lent ou impossible. En topographie et ingénierie, les travaux courants comprennent :
- Levés de bâtiments et BIM : intérieurs à plusieurs étages, locaux techniques et gaines capturés en un seul parcours, puis modélisés.
- Mines souterraines et tunnels : galeries, chambres d'exploitation et profils de tunnels sans GNSS.
- Foresterie : hauteur des arbres, diamètre des troncs et densité des peuplements sous couvert.
- Avancement de chantier : parcours hebdomadaires pour comparer l'exécuté au projet.
- Stocks et hangars : volumes en stockage couvert, détaillés dans notre guide de mesure des volumes de stocks.
- Patrimoine et bâtiments : documentation d'ouvrages complexes sans multiplier les mises en station pendant des heures.
Hors topographie, le SLAM équipe les robots d'entrepôt, voitures autonomes, drones de livraison et la réalité augmentée, mais ces usages grand public et automobiles ont d'autres objectifs de précision.
SLAM ou numérisation laser terrestre : que choisir ?
Choisissez le SLAM lorsque la rapidité et la couverture priment sur les millimètres ; un scanner laser terrestre sur trépied lorsque la précision et la densité maximales de chaque surface sont nécessaires. De nombreux projets associent les deux.
| Critère | SLAM portable | Numérisation laser terrestre (TLS) |
|---|---|---|
| Méthode d'acquisition | En continu, en marchant | Stations fixes sur trépied |
| Précision relative typique | Environ 1–3 cm | Millimétrique à courte portée |
| Vitesse pour un étage de 2 000 m² | De quelques minutes à quelques dizaines de minutes | Plusieurs heures avec de nombreuses stations |
| Densité de points et bruit | Densité moindre, surfaces plus épaisses | Haute densité, surfaces fines et nettes |
| Usages privilégiés | Plans d'étage, volumes, mines, forêts, relevés rapides de l'existant | BIM détaillé, déformations structurelles, usines, détails patrimoniaux |
Une méthode hybride courante consiste à scanner les zones critiques, comme une façade ou un local technique, avec un scanner laser terrestre haute vitesse, puis à compléter le reste du bâtiment en SLAM, les deux étant recalés sur le même canevas. Notre article sur la numérisation laser terrestre détaille la méthode statique.
Erreurs SLAM courantes sur le terrain et prévention
La plupart des mauvais résultats SLAM proviennent du parcours effectué, plutôt que du matériel. Le système suppose un mouvement régulier et suffisamment de géométrie visible : les habitudes de terrain comptent.
- Marche trop rapide ou virages brusques : maintenez une allure régulière et tournez lentement aux portes et aux angles.
- Franchissement des portes sans pause : arrêtez-vous brièvement dans l'ouverture pour que le scanner voie les deux pièces.
- Absence de boucles : prévoyez des parcours qui se referment sur eux-mêmes ; les parcours ouverts dérivent.
- Démarrage en mouvement : initialisez le scanner en restant immobile pendant la durée indiquée par le fabricant.
- Oubli du canevas : sans points d'appui, le nuage ne peut ni être vérifié ni être placé dans le système du projet.
- Sessions trop longues : divisez les très grands sites en missions avec recouvrement plutôt qu'en un parcours immense.
Pour savoir si le SLAM convient à votre travail ou le comparer à d'autres scanners 3D, consultez notre gamme de scanners laser 3D ou demandez un devis en précisant le type de projet et la taille du site. Nos ingénieurs recommanderont une configuration et une stratégie de canevas.
Questions fréquentes
Qu'est-ce que le SLAM, en termes simples ?
Le SLAM permet à un appareil en mouvement de dessiner la carte d'un lieu inconnu tout en suivant sa position sur cette carte. Il compare chaque nouvelle vue laser ou image à ce qu'il a déjà cartographié, détermine son déplacement et ajoute la nouvelle vue à la carte. Les scanners portables l'utilisent pour créer des nuages de points 3D pendant que vous marchez.
Que signifie SLAM dans la construction ?
En construction et en topographie, SLAM signifie localisation et cartographie simultanées. Le terme désigne les scanners portables, en sac à dos ou sur véhicule qui acquièrent des nuages de points 3D de sites et de bâtiments en mouvement. Les entreprises l'utilisent pour les scans d'avancement, la documentation de récolement, les contrôles de quantités et les données BIM, car il acquiert de grandes surfaces bien plus vite qu'un scan statique sur trépied.
Le SLAM est-il identique au lidar ?
Non. Le lidar est un capteur qui mesure les distances avec des impulsions laser. Le SLAM est un algorithme utilisant les données de capteurs pour estimer une position et construire une carte. De nombreux scanners SLAM utilisent le lidar comme capteur principal, mais le SLAM peut aussi fonctionner sur des images de caméra, et le lidar peut être utilisé sans SLAM, par exemple dans un scanner statique sur trépied.
Le SLAM a-t-il besoin du GPS ?
Non. Le SLAM fonctionne sans positionnement satellitaire, d'où son usage en intérieur, sous terre et sous une canopée dense. Certains systèmes ajoutent le GNSS en extérieur pour réduire la dérive et placer directement les données dans des coordonnées réelles. Sans GNSS, on géoréférence le nuage de points en scannant des points d'appui mesurés à la station totale ou au récepteur RTK.
Quelle est la précision d'un scanner SLAM portable ?
Un bon scanner SLAM lidar portable atteint généralement environ 1 à 3 cm de précision relative dans des environnements intérieurs structurés lorsque le parcours comporte des fermetures de boucle. La précision se dégrade sur les longs parcours ouverts, les couloirs sans détails ou lors d'une marche rapide. La précision absolue dépend des points d'appui : contrôlez donc toujours les résultats sur des points de contrôle indépendants avant livraison.
Qu'est-ce qu'une fermeture de boucle en SLAM ?
La fermeture de boucle correspond au moment où un système SLAM reconnaît un lieu déjà cartographié. Il mesure l'écart entre la position précédente et la position actuelle, puis répartit cette erreur sur toute la trajectoire par optimisation. Prévoir plusieurs fermetures de boucle est le moyen le plus efficace de réduire la dérive et de produire un nuage de points propre.
Quelle différence entre SLAM 2D et 3D ?
Le SLAM 2D utilise un laser à plan unique et construit un plan au sol, suffisant pour de nombreux robots d'intérieur. Le SLAM 3D utilise un lidar rotatif multifaisceaux et une IMU pour estimer le mouvement complet à six degrés de liberté et créer un nuage de points 3D complet, nécessaire aux projets de topographie, BIM, mines et foresterie.
Besoin de matériel pour ces travaux ?
Indiquez les travaux, le pays et la quantité. Un ingénieur répond avec une configuration et un prix sous un jour ouvré. MOQ : une unité ; OEM disponible.
