Plateforme pour l’eau, le gaz et la chaleur
Article technique
29. novembre 2019

Projet 3DCity

Visualisation des réseaux enterrés

Le projet 3DCity, mené par l’Université de Genève en partenariat avec les Services industriels de Genève (SIG) et le CERN, a développé un système fournissant des solutions innovantes basées sur les technologies de numérisation 3D et de réalité augmentée. En utilisant HoloLens, les lunettes photogrammétriques de Microsoft, nous avons développé un système pour permettre le relevé rapide des réseaux souterrains et la visualisation d’éléments d’infrastructure cachés avant les travaux d’excavation.
Dimitri  Konstantas, Patrice Poirier, 

RéALITé AUGMENTéE AU SERVICE DE …

Ces dernières années, la nécessité d’installer de nouvelles infrastructures (eau, gaz, électricité, fibres optiques, etc.) et de maintenir et entretenir les infrastructures existantes s’est considérablement accrue. Cependant, ces interventions en milieu urbain créent des perturbations importantes dans les activités quotidiennes des citoyens. Ainsi, il devient de plus en plus nécessaire de réduire le temps d’intervention et de minimiser les coûts. Deux des éléments pouvant contribuer à cette réduction sont l’accélération des relevés des réseaux en fouille ouverte et la visualisation avec une grande précision des installations souterraines avant le démarrage des travaux. Dans ce sens, dans le cadre du projet 3DCity, financée par InnoSuisse, nous avons développé une solution permettant:

  • aux équipes présentes sur site de générer des modèles 3D des réseaux en fouille ouverte;
  • au personnel de bureau formé d’extraire des données SIG à partir des modèles 3D réceptionnés, conformément aux normes en vigueur;
  • au personnel de bureau formé de convertir les données SIG contenues dans les bases de données cadastrales en modèles 3D géolocalisés.
  • aux équipes présentes sur site de visualiser les modèles 3D des réseaux enterrés à leur emplacement précis dans l’environnement.

Une première version fonctionnelle a été complétée et testée sur plusieurs chantiers de construction, en collaboration avec nos partenaires industriels SIG et CERN, validant la précision, les fonctionnalités et l’ergonomie du système. Pour les relevés, nous utilisons une caméra 3D (RealSense Depth, [1]) et pour la visualisation un HoloLens (fig. 1; [2]).

RELEVÉ À L’AIDE DE LA CAMÉRA 3D

Notre solution est basée sur l’utilisation d’une caméra stéréoscopique. Les équipes déjà présentes sur le site peuvent effectuer la numérisation des installations avec une simple application d’enregistrement vidéo (p. ex. sur un ordinateur portable) et une caméra 3D. Pour cela, il n’y a pas besoin de compétences particulières ou d’équipement sophistiqué.
Sur la base de 15 opérations de relevé sur les chantiers des Services Industriels de Genève (SIG), donc 58 vidéos 3D et 42 tuyaux, nous avons mesuré la différence de précision par rapport aux mesures traditionnelles effectuées avec un GPS centimétrique. Celle-ci est inférieur à 7 cm. En revanche, le temps pour effectuer le relevé a été réduit de 60%.
Comme pour les relevés traditionnels, les relevés 3D du site devront aussi être traités au bureau par le géomètre pour dessiner les tracés. Vue la qualité de données, le temps du traitement a été réduit de 25% par rapport au traitement de données traditionnelles.

GEO-RÉFÉRENCEMENT DE RELEVÉS 3D ET INTEGRATION

La scène obtenue avec les relevés 3D, (modelé 3D) est certes précieuse en soi (visualisation, calcul des volumes, etc.) mais en l’absence de geo-référencement et extraction des donnés dans une format requis, elle n’offre aucune utilité pour les données SIG. Pour cette raison nous avons développé des techniques pour la géolocalisation de la scène et des algorithmes d’assistance (prenant en compte divers paramètres comme le diamètre des conduites, permettant de travailler simultanément sur plusieurs types de réseaux, ou même de changer le type de segment), pour aider l’utilisateur et optimiser le travail. À la fin, les données nécessaires (coordonnées des nœuds, formes, métadonnées) contenues dans la scène peuvent être extraites, dans un format exploitable par le SIG et stockées/importées aux bases de données.

VISUALISATION DES RÉSEAUX SOUTERRAINS

La deuxième partie, qui est la plus importante de notre projet, est le système de visualisation des réseaux enterrés existantes sur le site (fig. 2 et 3). En utilisant les technologies de réalité augmentée, et notamment le HoloLens de Microsoft qui intègre des fonctionnalités de photogrammétrie, nous avons développé un système permettant de générer en temps réel un modèle 3D des tuyaux et installations spécifiées dans les bases de données de SIG, et de l’intégrer comme un hologramme dans l’environnement réel.
Lorsque HoloLens est mis sous tension, il procède à un balayage de l’environnement, créant une représentation 3D. Ce modèle n’a pas de géoréférencement, mais utilise ces propres coordonnées. Afin de «placer» le modelé du HoloLens dans un espace géolocalisé, nous avons développé une technique nous permettant de définir des points d’ancrage connus et de les lier au modèle 3D crée par HoloLens. Ainsi, nous pouvons calculer avec précision la position et l’orientation de l’appareil, et par conséquent utiliser cette information pour transformer toutes les coordonnées relatives en coordonnées géolocalisées du monde réel.
Par la suite, nous récupérons les données de la base de données de SIG pour la région en question et nous créons un modelé 3D de tuyaux qui est intégré par HoloLens au modelé 3D du mode réel (fig. 4). En fonction de leur visibilité (sous le sol, dehors, derrière des objets, etc.), les éléments des réseaux sont représentés par leurs lignes de contour (cachés sous le sol) ou par des volumes pleins (fouille ouverte). Afin d’aider l’utilisateur à mieux percevoir la position des hologrammes «flottants» dans l’espace, les lignes de projection et les distances entre chaque nœud et la surface du sol la plus proche sont calculées et diffusées en temps réel. L’utilisateur peut également creuser un «trou virtuel» en ciblant deux points au sol. Une représentation en coupe verticale 2D du trou incluant des informations contextuelles supplémentaires, telles que les distances entre les conduites s’y trouvant, est alors calculée en temps réel et affichée dans une fenêtre flottante.

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

Bien que nous reconnaissons que nos solutions ne peuvent pas être appliquées à toutes les tâches et situations, nous sommes très encouragés par les résultats obtenus. Ceux-ci démontrent de nombreux avantages concrets, réalisés dans le cadre de l’environnement complexe de chantier.
D’autres services sont aussi développés, tels que la visualisation holographique des lignes de projection au sol des réseaux de conduites avant excavation, permettant de tracer, avec une meilleure précision, fiabilité et rapidité, les marquages environ par rapport à la méthode traditionnelle.
De même nous avons dû surmonter plusieurs difficultés et développer des solutions, comme l’absence de points de référence connus et facilement identifiables sur certains chantiers. La solution développée consiste à créer des points artificiels à l’aide d’un GPS centimétrique. La qualité du modèle 3D réalisé avec la caméra stéréoscopique doit être validée avant la fermeture de la fouille. Cela ne peut actuellement se faire que sur un ordinateur équipé d’un GPU (processeur graphique) haut de gamme – pas forcément disponible sur le site – impliquant donc d’éventuels transferts de fichiers de données volumineux par un réseau mobile 4G. Enfin, les changements organisationnels nécessaires à l’adoption de ces nouvelles approches ne sont pas négligeables. D’autres études et essais seront certainement nécessaires pour fournir des preuves supplémentaires de fiabilité et de précision des solutions développées. Aujourd’hui, nous avons créé une start-up de l’Université de Genève (Cadastra Sarl) et nous développons une deuxième version qui sera commercialisée en 2020, pour le nouveau modèle de HoloLens, disponible en 2020.

Un nouvel outil pour effectuer le relevé des conduites

Les Services Industriels de Genève (SIG) ont été partenaires de ce projet-pilote City3D. Ses deux objectifs «Acquérir des réseaux visibles à l’aide d’une caméra 3D» et «Visualiser des réseaux enterrés en 3D avec des lunettes de réalité augmentée» s’insèrent dans la feuille de route de mise en place d’un système d’information à référence spatiale SIRS avec un stockage des coordonnées 3D.
Historiquement les plans de réseaux de SIG comportent des informations de profondeur dès que celles-ci sont en dehors des profondeurs standard pour chaque réseau. Pour les réseaux récents de la thermique et le réseau de haute-tension, une information altimétrique est stockée sous la forme d’un attribut utilisateur. Cette méthode a été déclinée sur l’ensemble des nœuds principaux de chaque réseau: eau potable, gaz, électricité, éclairage public, fibre optique et réseau thermique.
La partie d’acquisition de données de réseaux par caméra 3D se base sur la prise vidéo de la fouille ouverte en incluant des points de référence mesurés au préalable par GPS. Ces points mesurés en 3D sont un prérequis au post-traitement des données qui s’effectue sur le serveur de l’Université de Genève appliquant les principes connus de la photogrammétrie terrestre. Il en ressort un modèle 3D calé dans le système de coordonnées MN95 (mensuration nationale suisse 1995) sous la forme d’un nuage de points qui est intégré au logiciel de dessin City3D. Dans le cadre du projet pilote les éléments sont saisis dans ce logiciel avec les attributs nécessaires, pour alimenter finalement le SIRS d’entreprise. Seule la partie d’acquisition sur le terrain a été testée sur nos chantiers par plusieurs équipes de géomaticiens SIG. L’écart moyen constaté sur l’ensemble des chantiers est de l’ordre de 6 cm, par rapport à l’emploi du GPS (80% des cas), certains chantiers principalement en ville de Genève sont traités avec un théodolite de précision (20% des cas).
Notre obligation légale sur le domaine public est d’assurer le positionnement des infrastructures réseaux à plus ou moins 10 cm. La méthode développée est comparable en précision et s’affirme comme plus efficiente sur la partie terrain. Elle a cependant le désavantage de demander un temps de post-traitement des données précédent le dessin vectoriel toujours à réaliser (phase de mise à jour), post-traitement absent avec les méthodes traditionnelles. Elle représente une alternative très intéressante sur nos chantiers les plus complexes, afin de réduire les temps de remblaiement des fouilles.
La partie visualisation des réseaux enterrés en 3D à l’aide de lunettes de réalité augmentée, permet de situer précisément l’emplacement d’une conduite avant d’ouvrir une route, d’éviter les interventions d’urgence liées à des arrachages de câbles accidentels, de bénéficier de la vue détaillée d’une portion de réseau à raccorder lors de la construction d’un nouveau quartier. Autant d’avantages que présentent de nouvelles lunettes développées par l’Université de Genève. Elles permettent à celui qui les porte de visualiser en réalité augmentée (3D) les différents câbles et conduites sous ses pieds (eau, gaz, électricité, thermique, télécom, assainissement). Un vrai gain d’efficacité pour les métiers SIG qui pourront, d’ici 2 ans, profiter pleinement de cette technologie smart au quotidien.

Ce projet a été co-financé par InnoSuisse sous le contrat KTI No 26067.1.

BIBLIOGRAPHIE

[1] Intel® RealSense™ Depth Camera D435: https://www.intelrealsense.com/depth-camera-d435/ (visité le 22.10.2019)
[2] Microsoft HoloLens: https://www.microsoft.com/en-us/HoloLens (visite le 22.10.2019)

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