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HAL Id: dumas-01167039 https://dumas.ccsd.cnrs.fr/dumas-01167039 Submitted on 23 Jun 2015 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Lasergrammétrie mobile : étude et utilisation d’un système mobile de cartographie 3D en milieu ferroviaire : le GRP 5000 Benjamin Dupuis To cite this version: Benjamin Dupuis. Lasergrammétrie mobile : étude et utilisation d’un système mobile de cartographie 3D en milieu ferroviaire : le GRP 5000. Sciences de l’ingénieur [physics]. 2014. dumas-01167039 CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS ÉCOLE SUPÉRIEURE DES GÉOMÈTRES ET TOPOGRAPHES _________________ MÉMOIRE Présenté en vue d'obtenir Le DIPLÔME D'INGÉNIEUR CNAM Spécialité : Géomètre et Topographe par Benjamin DUPUIS ___________________ LASERGRAMMETRIE MOBILE : ETUDE ET UTILISATION D’UN SYSTEME MOBILE DE CARTOGRAPHIE 3D EN MILIEU FERROVIAIRE – LE GRP 5000 Soutenu le 09 Juillet 2014 _________________ JURY PRÉSIDENT : Monsieur Laurent POLIDORI MEMBRES : Monsieur José CALI, professeur référent Monsieur Jean-François BAUDET Monsieur Mathieu BONNEFOND Madame Elisabeth SIMONETTO _________________ MAITRE DE STAGE : Monsieur Philippe DESCHAMP TFE - DUPUIS Benjamin - Lasergrammétrie mobile P a g e | 1 2014 Remerciements Ce travail de fin d’études proposé par le service Topographie Régie Autonome des Transports Parisiens m’a tout de suite séduit. En effet, je désirais travailler dans la modélisation 3D et approfondir mes connaissances dans les systèmes mobiles de cartographie. Je tiens à remercier toutes les personnes qui ont contribué au bon déroulement de ce travail de fin d’étude, et qui m’ont aidé pour la rédaction de ce mémoire :  Monsieur Philippe DESCHAMP, responsable du service Topographie et maître de stage, pour m’avoir permis de réaliser mon TFE à la RATP. Ses conseils ont été des plus avisés tout au long de mon stage. Je tiens tout particulièrement à le remercier pour sa disponibilité et sa gentillesse.  Monsieur Xavier KERFERCH, pour ses précieux conseils sur des questions de topographie ainsi que pour son aide sur le terrain lors des tests réalisés avec le chariot de mesures  L’ensemble du service de Topographie : Éric BIGOT, Paolino DE ARAUJO, Denis LANDRIN, Erwann LESIEUR et Guillaume VARAINE pour leur accueil chaleureux.  Monsieur José CALI, mon professeur référent, pour ses précieux conseils techniques.  Enfin, je souhaite remercier ma famille et mes amis qui m’ont encouragé et soutenu. TFE - DUPUIS Benjamin - Lasergrammétrie mobile P a g e | 2 2014 Sommaire REMERCIEMENTS .......................................................................................................... 1 SOMMAIRE.................................................................................................................... 2 GLOSSAIRE (PAR ORDRE D’APPARITION) ........................................................................ 4 INTRODUCTION .............................................................................................................. 5 1. LE MILIEU FERROVIAIRE ET LA LASERGRAMMETRIE .................................................. 6 1.1 PRESENTATION DU CADRE DU TRAVAIL ..................................................................................... 6 1.2 LE MILIEU FERROVIAIRE ............................................................................................................. 7 1.2.1 Caractéristiques d’une voie ferrée ...................................................................................... 7 1.2.2 Maintenance d’une voie ..................................................................................................... 9 1.3 LA LASERGRAMMETRIE .............................................................................................................. 9 1.3.1 Définition ............................................................................................................................. 9 1.3.2 Le relevé laser ................................................................................................................... 10 1.3.3 L’instrument de mesure : le scanner laser ........................................................................ 11 1.3.4 Les erreurs rencontrées en lasergrammétrie .................................................................... 14 1.4 INTERETS D’UN LEVE MOBILE EN MILIEU FERROVIAIRE .......................................................... 15 1.4.1 DT/DICT ............................................................................................................................. 15 1.4.2 Etude de gabarits .............................................................................................................. 16 2. LA CARTOGRAPHIE MOBILE 3D ET LES SYSTEMES MOBILES DE CARTOGRAPHIE ..... 17 2.1 QU’EST-CE QU’UN SYSTEME MOBILE TERRESTRE DE CARTOGRAPHIE ? ................................. 17 2.2 COMPOSANTE DE PERCEPTION /LEVER ................................................................................... 18 2.2.1 Tachéométrie .................................................................................................................... 18 2.2.2 Lasergrammétrie ............................................................................................................... 18 2.2.3 Photogrammétrie .............................................................................................................. 19 2.3 COMPOSANTE POSITIONNEMENT/LOCALISATION .................................................................. 19 2.3.1 Les systèmes souterrains .................................................................................................. 19 2.3.2 Les systèmes utilisés en extérieur ..................................................................................... 20 2.4 COMPOSANTE D’ORIENTATION ............................................................................................... 21 2.4.1 Centrale inertielle / INS (Inertial Navigation System) ....................................................... 21 2.4.2 Centrale d’attitude ............................................................................................................ 22 2.5 LES DIFFERENTS SYSTEMES MOBILE TERRESTRE DE CARTOGRAPHIE 3D ................................ 23 2.5.1 Les Systèmes de Numérisation 3D Embarqués sur des Véhicules. ................................... 23 2.5.2 Les systèmes mobiles à environnement de navigation restreint ...................................... 24 2.6 PRINCIPE EN LASERGRAMMETRIE MOBILE .............................................................................. 25 2.6.1 A la volée ........................................................................................................................... 25 2.6.2 Pluri-statique ..................................................................................................................... 25 2.6.3 Par Intervalles ................................................................................................................... 26 TFE - DUPUIS Benjamin - Lasergrammétrie mobile P a g e | 3 2014 2.7 VALEUR AJOUTEE DES MMS ..................................................................................................... 26 2.7.1 Les utilisations ................................................................................................................... 26 3. LE CHARIOT DE MESURES FERROVIAIRE : LE GRP 5000 ........................................... 27 3.1 LES SYSTEMES GRP FX .............................................................................................................. 27 3.2 GRP 5000 .................................................................................................................................. 28 3.2.1 Description ........................................................................................................................ 28 3.2.2 Les capteurs ....................................................................................................................... 29 3.3 MESURES TERRAIN – METHODOLOGIE .................................................................................... 29 3.4 GEOREFERENCEMENT .............................................................................................................. 31 3.5 POST-TRAITEMENT ................................................................................................................... 34 3.5.1 Le logiciel Amberg Rail et ses applications ....................................................................... 34 3.5.2 Gestion des données - ...................................................................................................... 35 4. TESTS ET RESULTATS .............................................................................................. 35 4.1 SUIVI PAR TACHEOMETRIE ....................................................................................................... 36 4.1.1 Influence prisme 360° ....................................................................................................... 36 4.1.2 Influence distance station/chariot. ................................................................................... 37 4.2 TESTS SUR LES CAPTEURS ......................................................................................................... 38 4.2.1 Inclinomètre et écartement .............................................................................................. 38 4.2.2 Odomètre .......................................................................................................................... 39 4.2.3 Alignement horizontal ....................................................................................................... 39 4.3 PRECISION ABSOLUE ................................................................................................................ 40 4.3.1 Réseau de points de contrôle ............................................................................................ 40 4.4 RESULTATS ET DISCUSSIONS .................................................................................................... 42 4.4.1 Analyse des Résultats ........................................................................................................ 42 4.4.2 Les améliorations possibles du système .......................................................................... 44 Conclusion ................................................................................................................... 46 Références Bibliographiques ........................................................................................ 47 Liste des figures ........................................................................................................... 49 ANNEXES ..................................................................................................................... 51 TFE - DUPUIS Benjamin - Lasergrammétrie mobile P a g e | 4 2014 GLOSSAIRE RATP : Régie Autonome des Transports Parisiens RER : Réseau Express Régional RVB : Renouvellement Voie Ballast LASER : Light Amplification by Simulated Emission of Radiation DT/DICT : Déclaration de projet de Travaux/Déclaration d'Intention de Commencement de Travaux MMS : Mobile Mapping System ATR : Automatic Target Recognition GNSS : Global Navigation Satellite System GDOP : Geometrical Dilution Of Precision GPS : Global Positioning System RTK : Real Time Kinematic DGPS : Differential Global Positioning System INS : Inertial Navigation System IMU : Inertial Measurement Unit MEMS : Micro Electro Mechanical Systems ZUPT : Zero Velocity Update Procedure SIG : Système d’Information Géographique BIM : Building Information Model CIM : City Information Model RGF 93 : Réseau Géodésique Français 1993 CTC : Canted Track Coordinates UTC : Uncanted Track Coordinates PK : Point Kilométrique AFT : Association Française de Topographie TFE - DUPUIS Benjamin - Lasergrammétrie mobile P a g e | 5 2014 INTRODUCTION Le réseau de La Régie Autonome des Transports Parisiens (RATP), établissement public à caractère industriel et commercial (EPIC) comporte plus de 220 kilomètres de voies (Métro et RER) essentiellement en milieu souterrain. Il est aujourd’hui l’un des plus denses du monde mais bien qu’il soit efficace, celui-ci doit être rénové et plus étendu. Ainsi, des travaux d’automatisation et de prolongement d’anciennes lignes sont depuis quelques années en cours de réalisation. Mais c’est le projet du Grand Paris annoncé pour 2030 qui fera de Paris l’une des capitales les plus modernes en termes de transport en commun. Un chantier titanesque attend donc la RATP, reconnue pour son savoir-faire dans le monde entier. D’ici 2030, ce sont plus de 150 kilomètres de nouvelles voies qui seront créées. Les opérations d’études et de relevés de voies ferrées sont généralement faites par des trains appelés « trains chantier ». L’apparition de systèmes modernes comme les chariots de mesures ferroviaires offrent de nouvelles possibilités d’acquisition de données. Même si ces vieux engins d’études sont toujours utilisés, ils sont voués à disparaitre au profit de chariots offrant de plus en plus de domaines d’application. Initialement conçus pour enregistrer les paramètres internes de la voie, l’ajout d’appareils lasergrammétriques d’une grande précision offre de toutes nouvelles perspectives. Des études de gabarit ou de travaux de maintenance sont désormais possibles. A l’heure de la troisième dimension, les chariots de mesures enregistrent d’énormes quantités de données avec une durée d’acquisition très courte. Nous verrons que ce type de chariot de mesures, capable de réaliser une cartographie en trois dimensions, permet d’acquérir des données non structurées qu’il est nécessaire de traiter par la suite. Parmi les différentes techniques de cartographie, la lasergrammétrie dynamique ou mobile se présente comme une technique rapide, rentable et de précision. La lasergrammétrie, utilisée en mode statique depuis une dizaine d’années semble évoluer avec l’apparition de systèmes mobiles capables de numériser des zones d’une plus grande surface tout en réduisant le temps d’acquisition. L’objectif de cette étude est de comprendre comment fonctionnent ces systèmes mobiles de cartographie et comment se comporte un chariot de mesures. Néanmoins, différentes notions devront impérativement être acquises préalablement à l’étude du chariot de mesures. Dès lors, la première partie de ce mémoire sera consacrée à une présentation du milieu ferroviaire ainsi que de la lasergrammétrie. Dans un second temps, nous étudierons le fonctionnement des systèmes mobiles de cartographie. Enfin, après une présentation du chariot de mesures GRP 5000, différentes expérimentations seront effectuées pour quantifier l’incidence de plusieurs paramètres pouvant influencer la qualité de la mesure ainsi que sa précision absolue. TFE - DUPUIS Benjamin - Lasergrammétrie mobile P a g e | 6 2014 1. LE MILIEU FERROVIAIRE ET LA LASERGRAMMETRIE 1.1 uploads/Geographie/ dupuis-benjamin.pdf