En revanche, ce type de relevés reste à ce jour appliqué quasi exclusivement par des sociétés spécialisées et induisant un certain impact en termes de coût et de délais. Cet impact coût/délais entraîne souvent un espacement des relevés. De plus, les délais nécessaires de traitement des données peuvent empêcher la prise en compte immédiate des données recueillies.

C’est pourquoi Terrasol a souhaité expérimenter l’application directe de ces méthodes par le géotechnicien en charge du suivi d’exécution des travaux de creusement. L’expérimentation s’est notamment déroulée au cours de la mission G3 études et suivi qu’assure Terrasol pour le compte de la société Eiffage Génie-Civil AuvergneRhône-Alpes, titulaire du marché de travaux auprès de l’Andra pour la réalisation du chantier n°  4 d’extension des galeries du Laboratoire souterrain de Meuse/ Haute-Marne.

PROTOCOLE

Le déroulement de la méthodologie de mesure structurale par photogrammétrie proposée peut être découpé en 3 étapes principales  : acquisition, reconstruction et géoréférencement du modèle 3D, et enfi n, l’exploitation des nuages de points 3D obtenus.

ACQUISITION :

L’acquisition photogrammétrique consiste en la réalisation d’un grand nombre de clichés du front de taille, pris de points de vue différents. Pour permettre d’atteindre la qualité souhaitée pour le modèle 3D, plusieurs facteurs sont à prendre en compte :

• les caractéristiques de l’appareil photo numérique  : résolution du capteur, la taille du capteur et la focale de l’objectif qui conditionnent le nombre de pixels par unité de surface de la scène photographiée ;
• qualité et nombre des photographies : netteté, luminosité, piqué ;
• protocole d’acquisition adapté à la scène à photographier  : bon recoupement des photographies, pas « d’angle mort » sur la zone d’intérêt.

Dans le cas d’une application en chantier souterrain, il est tout particulièrement important d’optimiser le nombre de photographies de sorte à limiter les temps d’acquisition et de traitement logiciel tout en garantissant une qualité suffisante du modèle 3D reconstruit.

L’expérience a montré qu’avec l’appareil photographique considéré (Canon EOS 250D), une quarantaine de photographies environ suffi saient pour obtenir un rendu satisfaisant. Les prises de vues sont toutes effectuées sur trépied au sol, à l’horizontale et en contre-plongée, sans besoin d’utilisation d’une nacelle pour des plans en plongée. Le temps d’acquisition est de l’ordre de 10 à 15 min, ce qui est compatible avec la durée allouée aux levés de front dans la plupart des chantiers.

La séquence d’acquisition est illustrée sur la fi gure ci-après :

RECONSTRUCTION ET GÉORÉFÉRENCEMENT DU MODÈLE 3D

La reconstruction du modèle 3D est effectuée sous le logiciel Agisoft Métashape. Le traitement se décompose en plusieurs étapes, dont les principales sont les suivantes :

• étape 1  - Alignement du modèle  : recherche automatique des points de correspondance entre prises de vues, calcul de la position des prises de vues et construction d’un nuage de points épars constitué des projections des points de similitudes ;
• étape 2 - Construction d’un nuage de points dense : lancement d’un algorithme de génération de cartes de profondeur, puis détermination de la position 3D des pixels de chaque photographie ;
• étape 3 - Géoréférencement du modèle grâce à des points de coordonnées connues se trouvant dans la scène.

Si les étapes d’acquisition et de reconstruction peuvent être réalisées en autonomie par le géotechnicien avec une formation relativement concise, le géoréférencement des modèles 3D obtenus requiert un savoir-faire spécifi que (mesures de points topographiques).

La méthodologie a donc été élaborée et optimisée afi n d’exploiter des données topographiques dont le temps de mesure et d’exploitation est intégrable dans le cycle de travail normal du topographe du chantier. Ainsi le recueil de ces données topographiques génère une charge de travail supplémentaire très faible pour le topographe du chantier, voire nulle dans le cas de la valorisation de mesures de récolement.

En termes de temps, la reconstruction 3D s’effectue en grande partie en temps masqué : pendant l’exécution des algorithmes de reconstruction 3D, l’opérateur n’a pas besoin d’être aux commandes. La vitesse d’exécution du logiciel dépend de la puissance de l’ordinateur utilisé. Pour un utilisateur expérimenté et une fois les paramètres des algorithmes ajustés aux conditions du chantier, on peut compter environ une demi-heure de temps actif, employé principalement pour les phases d’initiation du logiciel et de géoréférencement. 

Les étapes principales de la chaîne de traitement logicielle permettant d’obtenir des mesures structurales sur le nuage de points 3D obtenu par photogrammétrie sont illustrées dans la figure ci-après:

EXPLOITATION DES MODÈLES 3D DE FRONT DE TAILLE

Les modèles 3D des fronts de taille obtenus peuvent être exploités dans différents buts. Le plus immédiat dans le cadre d’un suivi géologique est peut-être la mesure de plans structuraux, permettant de vérifier ou affiner les hypothèses de calculs en cours de creusement. De telles mesures peuvent être effectuées sur des logiciels, tels que le logiciel gratuit CloudCompare développé par EDF.

Ce logiciel propose un grand nombre de fonctionnalités pour le traitement du nuage de points, et comprend notamment plusieurs plugins adaptés permettant la réalisation de mesures structurales, dont le plugin Compass qui permet de réaliser la mesure d’orientation (azimut et pendage) en interpolant un ensemble de points sélectionnés manuellement par l’utilisateur.

La figure ci-contre présente un nuage de points 3D maillé et texturé d’un front de taille sur lequel ont été repérés manuellement les principaux plans structuraux.

Afin de réduire le temps passé à la réalisation des mesures structurales, un outil informatique permettant l’automatisation partielle de ces mesures a été développé, et est présenté dans la suite de cet article.

CONTRÔLE DES RÉSULTATS OBTENUS

Compte tenu des simplifications et optimisations de la méthodologie élaborée, il a été proposé une étude métrologique permettant de vérifier la qualité des mesures structurales effectuées. Pour ce faire, deux protocoles expérimentaux ont été mis en œuvre :

• la comparaison directe des mesures structurales obtenues par photogrammétrie avec celles recueillies sur des levés par lasergrammétrie réalisés par une société tierce opérant pour le compte du maître d’ouvrage, et transmis par ce dernier. Les comparaisons effectuées sur quelque 389 plans de mesures répartis sur 6 fronts de taille différents ont montré des écarts de mesures d’un ordre de grandeur comparable avec la précision des mesures effectuées à la boussole (méthodologie de base des mesures géologiques structurales et pour laquelle on peut retenir un intervalle de confiance de l’ordre de 5-10° en azimut comme en pendage (en fonction de l’opérateur, de la position de la mesure, du relief du plan mesuré, etc.).                                    La répartition des écarts de mesure obtenus peut être visualisée dans les histogrammes de la figure ci-après. A noter que les plus grands écarts sont imputables à des artéfacts ou problèmes de mesures.                                                                                                                                Ces résultats positifs ont permis une première validation de l’exploitabilité des données recueillies avec la méthodologie proposée. Toutefois, il est important de noter que l’intervalle de confiance des mesures sur modèle 3D obtenu par lasergrammétrie n’étant pas connu, des erreurs peuvent se cumuler ou se compenser lors de la comparaison des deux types de mesures. Ainsi, par cette méthode, l’intervalle de confiance ne peut qu’être estimé et non défini dans l’absolu.                                                                                                                                1. La comparaison avec des mesures topographiques au théodolite, réalisée sur la base de la comparaison des coordonnées x,y,z de points de contrôle positionnés sur le front de taille.        2. Ces points de contrôles, au nombre de 17 pour une surface de front de taille d’environ 30 m², ont permis de mettre en évidence des écarts absolus inférieurs au centimètre. Cette précision centimétrique est bonne en regard de la simplification du protocole d’acquisition réalisée pour correspondre aux contraintes temporelles du chantier.                                                          Egalement, celle-ci est très largement compatible avec la précision nécessaire à l’exploitation de mesures structurales. Ainsi, ce contrôle permet une deuxième validation en termes métrologiques de la méthodologie développée.                                                                          Les figures ci-après permettent de visualiser les écarts obtenus sous formes de vecteurs : la position x1, y1, z1 mesurée au théodolite est située au départ de la flèche et la position x2, y2, z2 mesurée sur le nuage de point obtenu par photogrammétrie se trouve à la pointe de la flèche. Attention, les normes des vecteurs sont exagérées par un facteur 300 pour permettre la visualisation.

En plus des valeurs infracentimétriques des écarts mesurés, il est à noter la convergence des « vecteurs écarts » vers un point proche du centre de gravité des cibles de calage du modèle, en lien avec l’algorithme de géoréférencement du logiciel de reconstruction 3D. Les protocoles de contrôle et leur exploitation ne peuvent être développés davantage ici, mais le lecteur est invité à consulter les détails dans la publication aux JNGG 2020 (Serieys A. et al. 2020 : « Levés géologiques par photogrammétrie : application par le géotechnicien au suivi d’exécution de tunnels. »).

ANALYSE DE NUAGES DE POINTS - DÉTECTION DE PLANS

Deux approches sont couramment utilisées pour l’extraction de plans géologiques sur un nuage de points géoréférencé : manuelle ou automatique à partir d’outils logiciels spécifiques.

L’extraction manuelle, qui consiste à utiliser des outils basiques de sélection de points, reprend le travail de levé que ferait le géologue au pied du front en isolant les principales familles de discontinuités. L’avantage de cette technique par rapport à une analyse automatique est d’avoir le contrôle sur le choix des plans mesurés.

Les inconvénients sont une délimitation nécessairement simple des plans (sous-échantillonnage des points constitutifs du plan), une sous-exploitation des données disponibles et un temps d’analyse assez long.

À l’inverse, une extraction automatique est basée sur un algorithme qui regroupe les points du nuage de points supposés appartenir à un même plan sur la base de critères spécifiés par l’utilisateur (exemple : plugin Facet de CloudCompare). Ceci permet un nombre très important de mesures en un temps d’analyse relativement court. Cependant, avec ce genre d’algorithme, toute surface vaguement plane est susceptible d’être mesurée, même si elle ne peut être interprétée comme une discontinuité géologique. L’utilisation de ces outils est donc malgré tout assez complexe, car nécessitant de caler finement les paramètres d’entrée, et un post-traitement est requis pour isoler les mesures structurales pertinentes du point de vue géologique.

Ces constats ont amené Terrasol à développer son propre outil d’analyse basé sur un traitement semi-automatique des nuages de point pour l’extraction des plans de fracturation.

Cet outil a été développé dans ImageJ et consiste à projeter le nuage de points sur une image 2D qui porte en chaque pixel la profondeur moyenne des points par rapport au plan de projection. Une carte d’élévation est ainsi obtenue et des critères peuvent être utilisés pour filtrer les points n’appartenant pas au front de taille.

Cette carte d’élévation sert ensuite à calculer différentes quantités, et notamment l’écart angulaire des normales en chaque pixel. L’ingénieur en charge du levé est alors invité à pointer les zones sur lesquelles un plan géologique est a priori attendu et l’outil va, par un algorithme de croissance de région, rechercher les pixels qui respectent le critère relatif à l’écart angulaire maximal. Les propriétés des régions isolées sont ensuite calculées : pente, direction du pendage, surface, élongation, centre de gravité.

Les avantages de la méthode de traitement développée sont :

• un temps de traitement réduit par l’analyse d’images 2D et une segmentation semi-automatique ;
• des frontières complexes gérées par l’algorithme de croissance de région ; des informations complémentaires accessibles, notamment la position et la surface des plans ;
• pas de biais de sous-échantillonnage des points constitutifs d’un plan géologique.

BILAN

Les développements présentés dans cet article ont permis d’aboutir à une méthodologie compatible avec les contraintes inhérentes au suivi d’exécution de tunnels en méthode traditionnelle :

• L’acquisition peut se faire dans un temps réduit et compatible avec la durée classiquement attribuée à un levé de front de taille ;
• La reconstruction photogrammétrique s’effectue via un logiciel photogrammétrique spécialisé qui nécessite une formation courte du géotechnicien, mais dont l’utilisation est relativement simple et rapide (fonctionnement en partie en temps masqué) ;
• Le géoréférencement des nuages de points 3D peut s’effectuer sur la base de données topographiques de récolement existantes, sans nécessiter d’intervention spécifique du topographe du chantier.

Des essais de contrôle de la qualité des nuages de points 3D obtenus ont été réalisés par deux protocoles différents mis en œuvre sur le chantier. Ces deux protocoles ont montré des précisions suffisantes pour la mesure de plans structuraux. Bien sûr, un contrôle métrologique plus poussé et rigoureux pourrait être effectué par des spécialistes. Cependant, rappelons qu’à des fins de mesures structurales, une certaine tolérance est possible sur la précision recherchée :

• La représentation par un «plan» des discontinuités géologiques est déjà une approximation et les valeurs angulaires d’orientation peuvent varier sur un même «plan» de la surface considérée pour la mesure ;
• La variabilité naturelle est importante au sein du réseau de discontinuités, dont la caractérisation nécessite l’analyse statistique d’un nombre suffisant de mesures. Sur ce point, il est à noter que le rendement des mesures par photogrammétrie permet une augmentation de ce nombre de mesures, et potentiellement une meilleure analyse statistique.

Enfin, un outil d’analyse pour l’extraction des plans de fracturation a été développé pour une application spécifique au front de taille de tunnels, ce qui permet un gain de temps pour l’opérateur. Les mesures obtenues pourront ainsi être valorisées dans le temps du chantier pour la vérification des conditions géologiques en cours de creusement. Les auteurs remercient Eiffage Génie-Civil et l'Andra pour les échanges et soutiens apportés dans le cadre de ces développements.

Alexis Serieys

Ingénieur géotechnicien, Terrasol

Jean-François Bruchon

Chef de projet, Terrasol