SLAM, cartographie et localisation simultanées, numérisation dynamique : qu’est-ce que c’est ?

SLAM est l’acronyme anglais de « Simultaneous Localization and Mapping », une technologie que l’on appelle Cartographie et localisation simultanées en français. Cette technologie permet aux appareils robotisés de se repérer dans un espace et d’y naviguer en tenant compte des obstacles présents.

Le SLAM est par exemple présent dans les aspirateurs robots, qui se repèrent grâce à la détection des meubles, recoins et murs d’une pièce. On le trouve également dans les voitures autonomes, qui cartographient leur environnement grâce aux routes, panneaux, immeubles, arbres et autres éléments extérieurs.

La technologie SLAM est aussi de plus en plus utilisée dans les scanners 3D pour des applications en cartographie et topographie. Ces scanners 3D dynamiques font partie de la catégorie iMMS (Indoor Mobile Mapping Systems) ou Systèmes de cartographie mobile intérieure, appartenant eux-mêmes à l’écosystème plus large des MMS (Mobile Mapping Systems).

  • Les iMMS sont optimisés pour la cartographie d’intérieur, bien qu’ils soient souvent capables de numériser à l’extérieur également, notamment pour les grandes infrastructures, les sites de construction, les mines ou même les forêts.
  • Quant aux MMS, en pratique, il s’agit principalement de capteurs laser qui sont montés sur des voitures, trains, bateaux et véhicules aériens pour capturer de vastes terrains, paysages et villes entières.

Il est important de ne pas faire d’amalgame entre les iMMS/MMS et les scanners 3D LiDAR ou à décalage de phase, qui constituent une catégorie de scanners 3D bien plus large. En revanche, la plupart des systèmes de cartographie d’intérieur intègrent en effet la technologie LiDAR.

Par ailleurs, si la plupart des scanners 3D SLAM utilisent le LiDAR, on ne peut affirmer l’inverse.

Comme vous pouvez le constater, le vocabulaire est assez confus dans l’usage et les catégories se chevauchent. Voici notre manière de simplifier la catégorisation :

Scanners 3D terrestres vs scanners 3D SLAM pour cartographie mobile

Scan 3D dynamique : Comment ça marche ?

Le SLAM est un algorithme complexe qui traite les données enregistrées par plusieurs capteurs. Il existe différents types de capteurs ou sources d’informations :

  • Unité de mesure inertielle (UMI ou IMU), qui comporte elle-même plusieurs capteurs
  • LiDAR (Light Detection and Ranging) 2D ou 3D
  • Images, photogrammétrie (ou VSLAM pour Visual SLAM)
  • Et bien d’autres, selon le cas d’utilisation

En numérisation 3D dynamique ou cartographie mobile, les algorithmes SLAM combinent et utilisent les données collectées à partir de plusieurs de ces capteurs pour à la fois tracker la position du scanner et construire un nuage de points complet de l’environnement.

Les scanners 3D dynamiques avec technologie SLAM peuvent fonctionner dans des environnements reclus où les signaux GPS/GNSS sont indisponibles, et permettent de numériser rapidement (et facilement !) de grandes zones.

Dans ce guide, nous abordons les principaux avantages, limites, et applications du SLAM, et présentons une sélection de quelques-uns des meilleurs scanners 3D dynamiques.

Notre sélection se concentre autour des systèmes de cartographie mobile d’intérieur (iMMS) étant portables (à main ou en sac à dos) ou fixés sur chariot. Ils sont souvent utilisables à l’extérieur, et certains d’entre eux peuvent aussi être montés sur des véhicules.

Les 6 meilleurs scanners 3D SLAM pour cartographie mobile

BrandProductScan speedCountryPrice
Prix indicatifs basés sur les données publiques et/ou fournies par nos partenaires. Ces prix peuvent évoluer dans le temps et excluent les produits et services supplémentaires (installation, formation, accessoires, taxes, …).
Leica Geosystems Leica BLK2GO700,000 points/sSwitzerland49 000 €Ask for a quote
FARO Focus Swift1,000,000 points/sUnited States75 000 €Ask for a quote
GeoSLAM ZEB Horizon300,000 points/sUnited Kingdom40 000 €Ask for a quote
Kaarta Stencil Pro600,000 points/sUnited States49 000 €Ask for a quote
NavVis VLX (2nd generation)600,000 points/sGermanyAsk for a quote
Viametris BMS3D300,000 points/sFrance150 000 €Ask for a quote

Présentation des meilleurs scanners 3D dynamiques

http://Leica%20BLK2GO
PaysSwitzerland
Prix49 000 €

Leica Geosystems est une société de topographie et de mesure basée en Suisse, qui fait partie du groupe multinational Hexagon AB. Leur modèle BLK2GO est un scanner laser d’imagerie portatif, léger et sans fil bénéficiant de la technologie « GRANDSLAM » de Leica.

Le scanner dynamique comporte une unité de mesure inertielle (IMU), une caméra de détail de 12 mégapixels et trois caméras de 4.8 MP pour la navigation visuelle, la colorisation des nuages de points et la capture d’image panoramique.

Selon Leica Geosystems, le BLK2GO est le plus petit système à double laser LiDAR du marché. Il a été conçu pour un usage intérieur et extérieur.

Portée : 25 mètres
FoV : 360° x 270°

http://FARO%20Focus%20Swift
Par FARO
PaysUnited States
Prix75 000 €

FARO est l’un des plus gros fabricants de scanners 3D terrestres et a récemment étendu sa gamme de produits au marché de la cartographie mobile 3D d’intérieur avec le Focus Swift.

Il s’agit essentiellement d’un scanner 3D terrestre (de la série FARO Focus) fixé sur un trépied roulant et combiné aux logiciels ScanPlan 2D et FARO Scene, ce dernier intégrant des algorithmes SLAM.

Ainsi, le scanner offre à la fois la précision des scanners 3D longue portée et la flexibilité des systèmes mobiles et dynamiques. Le FARO Focus Swift est pliable et transportable, et les opérateurs peuvent visualiser leur progrès en temps réel via son application mobile dédiée.

Portée : 350 mètres
FoV : 360° x 300°

Par GeoSLAM
PaysUnited Kingdom
Prix40 000 €

En 2011, selon le fabricant, GeoSLAM a été le premier à lancer une solution de cartographie portable basée sur le SLAM. GeoSLAM a continué d’améliorer ses algorithmes SLAM au fil des ans pour améliorer la capture dynamique d’environnements complexes.

Le scanner laser LiDAR ZEB Horizon est l’un de leurs derniers produits, et est destiné à une utilisation en intérieur et en extérieur. GeoSLAM offre une gamme d’options de mobilité pour le ZEB Horizon, y compris des sacs à dos, des perches, et des supports pour drones et voitures.

Portée : 100 mètres
FoV : 360° x 270°

Par Kaarta
PaysUnited States
Prix49 000 €

Kaarta, spécialiste du scan 3D basé en Philadelphie, présente le Kaarta Stencil Pro comme sa solution de numérisation 3D la plus robuste et la plus polyvalente. Il convient pour de nombreuses applications, incluant par exemple le BIM (modélisation des données de bâtiment) ou l’analyse de données géospatiales.

Ce scanner LiDAR portatif est équipé d’un récepteur GNSS, d’un capteur LiDAR à 32 lignes et d’une imagerie à 360° grâce à ses quatre caméras couleur de 8MP chacune. Étant conforme à la norme IP65, il est résistant à la poussière et aux quantités d’eau modérées (utilisation par temps de pluie, par exemple).

Le Stencil Pro offre une portée de scan de jusqu’à 200 mètres et peut être monté sur drone ou voiture.

Portée : 200 mètres
FoV : 360° x 40°

http://NavVis%20VLX%202nd%20generation
Par NavVis
PaysGermany
Prix

Le VLX est un scanner d’imagerie laser portable produit par le fabricant allemand NavVis. Ce système de cartographie d’intérieur se porte sur les épaules et se replie pour faciliter son transport.

Adapté à la cartographie intérieure, le système SLAM VLX de NavVis est doté de deux capteurs LiDAR, quatre caméras pour une capture à 360°, et d’une interface tactile intégrée pour un retour d’informations en temps réel.

Portée : 100 mètres
FoV : 360° x 360°

Par Viametris
PaysFrance
Prix150 000 €

La société française Viametris est experte en 6DOF LiDAR SLAM depuis plus de dix ans. Elle a développé le BMS3D, un scanner mobile basé sur un sac à dos, pour les applications de topographie.

Cette solution de cartographie dynamique combine plusieurs capteurs LiDAR et est disponible avec deux configurations caméra différentes : soit quatre caméras à sténopé, soit avec une caméra panoramique, la FLIR Ladybug5+ à 30 MP.

La batterie est remplaçable à chaud, et l’appareil génère des nuages de points colorés et géoréférencés.

Portée : 100 mètres
FoV : 360° x 360°

Special mention
PaysSwitzerland
Prix4 000 €

Le Leica Geosystems BLK3D n’est pas un scanner laser et il n’utilise pas d’algorithmes SLAM, mais cela reste une solution de mesure 3D de qualité intéressante.

Cet imageur Leica, semblable à un smartphone, est doté d’une caméra stéréo à deux capteurs qui utilise d’autres algorithmes pour prendre les mesures d’une pièce en temps réel. Il produit des photos annotées des mesures de l’environnement (murs, escaliers, …) en trois dimensions grâce à la photogrammétrie.

C’est une solution abordable et rapide pour les architectes, designers, artisans ou tout professionnel ayant besoin de mesurer les pièces d’un bâtiment ou chantier.

Le SLAM en cartographie d’intérieur : les avantages

  • Utilisation en lieux isolés : L’un des principaux avantages des scanners 3D SLAM mobiles est qu’ils fonctionnent dans des endroits où la réception GPS ou GNSS est trop faible ou absente, alors que de nombreux autres systèmes cartographiques s’appuient sur ces signaux.
  • Vitesse : Les iMMS sont assez rapides car les algorithmes SLAM traitent les données au fil des déplacements de l’opérateur, et il n’y a pas de trépied à installer et re-installer à plusieurs endroits.
  • Facilité d’utilisation : Il suffit d’allumer l’appareil et de couvrir l’espace nécessaire, et le logiciel fait le reste. Les opérateurs n’ont pas besoin de compétences ultra-spécialisées.
  • Rentabilité : La rapidité et la facilité d’utilisation des systèmes SLAM permettent de réduire à la fois le temps requis pour numériser, et le temps de formation des opérateurs. Ce gain de temps permet de rapidement amortir le coût d’acquisition initial de l’équipement.
  • Flexibilité : Ils sont disponibles en divers formats, allant des scanners portables aux sacs à dos et aux drones. Certains modèles peuvent s’adapter à différents formats selon le projet.
  • Autonomie : Les systèmes de cartographie d’intérieur mobiles fonctionnent souvent sur batteries rechargeables et ne nécessitent pas de connexion câblée.
Nuage de points d'un bâtiment obtenu à partir de technologie SLAM et LiDAR
Nuage de points d’un bâtiment obtenu à partir de technologie SLAM et LiDAR. Source : Kaarta

Les limites des solutions de cartographie mobiles SLAM

  • Précision : Puisque le SLAM numérise rapidement et en étant en mouvement, il ne peut capturer les données avec la même précision qu’un scanner terrestres sur trépied. Toutefois, les développeurs de systèmes de cartographie SLAM soutiennent que leur précision amoindrie est négligeable et largement compensée par leurs avantages.
  • Accessibilité : Les systèmes de cartographie mobile intérieure dépendent de la capacité de leur opérateur à couvrir toute la zone à pied. Cela signifie que certaines zones, par exemple les bâtiments dont le sol s’est effondré, sont complexes voire impossibles à numériser. Bien entendu, un scanner monté sur drone peut pallier à ce type d’obstacle.
  • Coût : Malgré la rentabilité des appareils dotés de technologie SLAM, le coût initial d’acquisition de l’équipement peut être inabordable pour les petites entreprises, surtout si le besoin de numérisation est occasionnel.

Applications cartographiques et topographiques des scanners 3D SLAM

Les solutions de cartographie mobile basées sur le SLAM sont principalement utilisées pour des applications de topographie. Voici quelques exemples de domaines dans lesquels ils sont utilisés (à la fois en intérieur et en extérieur).

Architecture, ingénierie et construction

La technologie de numérisation SLAM est un outil répandu dans le secteur du BTP, où elle est utilisée par les architectes, ingénieurs, artisans, géomètres et autres professionnels.

Ces scanners 3D SLAM peuvent être utilisés pour cartographier des bâtiments existants (lors de projets de rénovation, par exemple) et des nouvelles constructions (pour identifier toute anomalie par rapport aux plans originaux).

Ils sont aussi utilisés pour capturer des scans détaillés des projets de construction afin de suivre l’évolution des divers chantiers, sans avoir à évacuer le site.

Exploitation minière

L’industrie minière peut adopter la technologie SLAM pour cartographier les tunnels, fosses et grottes en peu de temps, là où les signaux GPS/GNSS sont difficiles à capter.

La cartographie de ces zones permet aux professionnels du secteur d’identifier les zones vulnérables ou propices aux dégradations et aux éboulements, qui représentent évidemment un danger pour les travailleurs.

Urbanisme

Les scanners SLAM peuvent être utilisés pour saisir des données relatives aux routes et aux environnements urbains. Ces données peuvent ensuite être utilisées pour créer des cartes routières, des itinéraires SatNav et d’autres produits.

L’obtention des dimensions exactes des voies de circulation est par exemple importante pour le développement de véhicules autonomes, qui nécessitent des données très précises afin de garantir la sécurité des usagers (même si ces véhicules utilisent eux aussi le SLAM !).

Les conseils municipaux et départementaux peuvent également se servir de cette technologie pour évaluer l’état du réseau routier et identifier les routes nécessitant des réparations ou rénovations.

Secteur forestier

La technologie SLAM peut servir le secteur forestier en capturant des informations comme l’emplacement de chaque arbre, leurs dimensions et géométries, et leur évolution dans le temps.

Types de Solutions de Cartographie Intérieure

Les scanners 3D intégrant la technologie SLAM doivent parcourir une zone afin de pouvoir se positionner et numériser l’environnement. Leur mode de déplacement varie selon le modèle et le cas d’usage.

Afin de couvrir de vastes zones, les systèmes de cartographie mobiles sont souvent montés sur des véhicules, que ce soit des voitures, trains, avions, hélicoptères ou bateaux.

Les solutions de cartographie d’intérieur, sur lesquelles nous nous focalisons dans ce guide, se présentent sous différents formats. Elles peuvent être portatifs (à main), intégrés dans un sac à dos ou fixés sur des chariots.

Certains de ces systèmes s’adaptent à plusieurs formats ; il existe par exemple des modèles à la fois portables pour une utilisation en intérieur et pouvant être fixés sur un véhicule pour numériser les espaces extérieurs.

Cartographie de produits SLAM ; types de scanners 3D dynamiques

Voici les principaux types de solutions de cartographie mobile intérieure (qui peuvent souvent être utilisés à l’extérieur).

Scanners 3D SLAM portatifs (à main)

Le type de scanner 3D SLAM mobile le plus courant est le scanner 3D portable, qui est porté à la main dans la zone de numérisation. Les scanners 3D portables sont souvent dotés d’écrans ou accompagnés d’une tablette afin de fournir des indications de progrès à l’opérateur en temps réel.

Ils sont généralement utilisés en intérieur pour de la cartographie laser mais également à l’extérieur lorsque les conditions le permettent. Des accessoires comme des perches ou des nacelles sont disponibles pour étendre leur portée.

BLK2GO scanner laser 3D mobile portatif
Le Leica BLK2GO, un scanner laser 3D mobile portatif. Source : Leica Geosystems

Sacs à dos

Certaines solutions de cartographie mobile d’intérieur sont intégrées dans un sac à dos spécial ou autre système porté sur les épaules. Ce format présente l’avantage d’être moins fatiguant pour l’opérateur par rapport à un système porté à la main.

Les sacs à dos élèvent les capteurs au dessus de la tête de l’opérateur, permettant d’exclure ce dernier du champ de vision de l’appareil. Ils offrent également une meilleure stabilité avec une hauteur constante.

Chariots

Certains fabricants comme FARO proposent des solutions de cartographie sur chariot. Ces scanners 3D laser SLAM offrent encore plus de stabilité que les sacs à dos ou autres solutions portatives.

Drones

Les drones sont plutôt employés en extérieur, mais ils peuvent tout à fait convenir pour de la cartographie intérieure. Toutefois, les drones utilisés pour supporter le poids plus ou moins lourd d’un scanner 3D peuvent parfois être trop grands pour certaines pièces ou passages étroits.

À l’extérieur, les scanners 3D SLAM montés sur drone offrent plus d’accessibilité que les autres types d’iMMS. On peut programmer des trajectoires précises à plusieurs altitudes, pour capturer un site sous le plus d’angles possible et surtout pour automatiser le processus de numérisation.

Scanner 3D SLAM LiDAR monté sur un drone
Le GeoSLAM ZEB Horizon, un scanner 3D SLAM LiDAR, monté sur un drone.
Source : GeoSLAM

Numérisation dynamique vs scan 3D laser terrestre

Les scanners 3D terrestres sont typiquement fixés sur trépied et capturent les données à partir de locations fixes. Il s’agit d’installer le système, souvent à base de laser LiDAR ou autre technologie de décalage de phase, à plusieurs endroits à la suite. Le logiciel assimile toutes les données et reproduit l’environnement en modèle 3D.

Un scanner 3D laser terrestre RIEGL
Un scanner 3D laser terrestre RIEGL. Source : Forschungs infrastruktur

Les scanners 3D mobiles à SLAM présentent de nombreux avantages par rapport aux scanners 3D terrestres. Ils sont plus rapides et faciles d’utilisation, requièrent moins de temps d’installation et peuvent être utilisés de différentes manières (à la main, monté sur drone, …).

Néanmoins, même les plus grands adeptes du SLAM admettront que les scanners laser terrestres génèrent (pour l’instant) des résultats plus précis. Cela porte plus ou moins d’importance selon le cas d’utilisation.

FAQ

Combien coûte un scanner 3D SLAM ?

Le prix pour un système d’imagerie laser portatif ou mobile varie typiquement entre 50 000 € et 90 000 €.

Faut-il absolument monter un système de cartographie mobile sur un véhicule ?

Non, mais pour la numérisation de vastes espaces extérieurs ou immenses immeubles, il est souvent préférable d’utiliser un scanner 3D SLAM monté sur drone, voiture ou autre véhicule.

Comment les scanners 3D laser capturent-ils la couleur ?

De nombreux systèmes de cartographie mobile sont équipés de caméras en plus de leurs capteurs LiDAR. Dans un processus appelé photogrammétrie, ces caméras capturent des photographies en couleur et les assemblent ; le logiciel du scanner associe les textures et couleurs au nuage de points généré à partir du laser.