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Thèse avec l'équipe Dynamique, Imagerie et Modélisation des Systèmes Environnementaux (DIMENV@risce)

Sujet :Prise en compte des gradients de température pour améliorer la précision d’un réseau de surveillance tachéométrique en continu (dispositif cifre)

Laboratoire d’accueil Cnam/GeF – Laboratoire Géomatique et Foncier (EA4630) 1 boulevard Pythagore – 72000 Le Mans

Entreprise d’accueil Cementys 9 rue Léon Blum – 91120 Palaiseau

Encadrement à Cementys
Vincent LAMOUR Directeur technique et scientifique
Tien Dung LE Directeur technique Génie Civil et Infrastructures
Maxime TATIN Ingénieur principal

Encadrement universitaire
Laurent MOREL Professeur, directeur de thèse – Cnam/GeF
Laurent LONGUEVERGNE Chargé de Recherche CR1, HDR , co-encadrant, Géosciences Rennes UMR 6118 Equipe DIMENV@risce
Stéphane DURAND Maître de conférences, co-directeur – Cnam/Gef

Contact : Stéphane Durand – Cnam/GeF –

– +33 (0)2 43 43 31 58
 

Logos cementys-cnam-GR

Contexte :
Pour réaliser la surveillance d’ouvrages ou de sites naturels particuliers, il est courant aujourd’hui de mettre en oeuvre des systèmes d’auscultation automatisés s’appuyant sur des stations totales robotisées réalisant des mesures en continu, ainsi que d’autres instruments géodésiques (GNSS, niveau, inclinomètre, …). Ce type de système d’auscultation continu permet d’observer des déformations de quelques millimètres, typiquement 3 à 10 mm en 3D, sur des intervalles de temps de quelques dizaines de minutes à quelquesheures. Ils sont aujourd’hui largement mis en oeuvre pour le suivi continu d’ouvrages vieillissants (cf. [Longstreet 2011]), la surveillance temps réel de chantier lors du creusement de tunnels ou d’ouvrages,comme par exemples les chantiers liés au Grand Paris, le creusement d’une nouvelle ligne sur le métro de Rennes ou la construction d’un tunnel à Seattle (cf. [LaFonta et al. 2013]), ou le suivi de zones naturelles. La finesse des déplacements observables est bien entendue liée à la géométrie du réseau de points mis en oeuvre et à la qualité des mesures réalisées, mais également aux conditions environnementales de l’objet ausculté. En atmosphère non contrôlée, s’il est possible aujourd’hui de concevoir des réseaux d’auscultation
capables en théorie d’observer des déformations de 1 à 2 mm voir mieux, ce niveau de précision est difficile à atteindre en pratique. Pourtant, pour de nombreuses applications de surveillance d’ouvrages ou de suivi de déformation de zones naturelles, atteindre ce niveau de précision serait essentiel. L’une des limitations principales aujourd’hui est la présence de gradients de température horizontaux qui dégradent la précision des mesures réalisées par les stations totales.

Depuis plusieurs années, l’équipe Dynamique, Imagerie et Modélisation des Systèmes Environnementaux (DIMENV@risce) (dite équipe EAU) de Géosciences Rennes et le laboratoire Géomatique et Foncier du Cnam s’intéressent à cette problématique d’amélioration de la précision de mesure de déformation par correction des effets atmosphériques sur les mesures des stations totales.

Les expériences menées en atmosphère contrôlée et en milieu naturel dans le cadre du PFE de Julien Assemat en 2015 (cf. [Assemat 2015]) et du stage de fin d’études de Kévin Gobron en 2017 (cf. [Gobron 2017]) nous ont permis d’identifier les gradients locaux de température le long de la ligne de visée comme la perturbation ayant le plus d’incidence sur la précision de la mesure de déformation. Nous avons ainsi montré que l’influence de ce phénomène se traduisait par une perte de précision sur les déformations observées typiquement de 3 à 5 mm. Nous avons également pu constater que les mesures angulaires réalisées par les stations totales étaient, comme les mesures de distances, fortement impactées par ces
gradients horizontaux.

Objectifs :
Cette thèse est positionnée, dans son contexte, sur la mise en oeuvre de réseaux de surveillance continu à
l’aide essentiellement de stations totales robotisées, pour l’auscultation en milieu naturel, industriel ou
souterrain.

Dans ce contexte, la station totale réalise à intervalle régulier et automatiquement des mesures d’angles
(horizontal, zénithal) et de distance suivant la pente sur différents prismes situés sur le chantier. Comme
indiqué dans [Bayoud 2007], le pointé automatique sur le prisme est réalisé par la station totale par
traitement d’images à l’aide d’un capteur CMOS.

L’objectif principal de la thèse est de développer des méthodes de correction, d’estimation ou d’élimination
de l’effet des gradients de températures sur les mesures, pour permettre d’améliorer la précision des
déformations observables par le réseau, une précision millimétrique voir sub millimétrique étant visée.
Dans les travaux menés jusqu’à présent, nous avons cherché à modéliser l’influence des gradients
horizontaux de températures en utilisant des capteurs le long de la visée et des méthodes de type Fast
Marching, qui semblent prometteuses mais doivent être adaptés à notre contexte particulier. Il s’agira donc
de poursuivre la mise en oeuvre des méthodes de type Fast Marching pour la modélisation du phénomène
et la correction des mesures angulaires et de distances fournies par les stations totales. On s’intéressera en
particulier à optimiser les méthodes actuelles pour notre contexte particulier, à étudier plus en détail
l’influence des méthodes d’interpolation des données issues des capteurs de température pour produire les
cartes de vitesses, élément de base pour la mise en oeuvre des méthodes de Fast Marching.
La mesure d’angle réalisée automatiquement par la station totale est basée sur l’utilisation de caméra
CMOS, pour le pointé automatique et précis du centre du prisme visé. Il conviendra donc, dans la thèse, de
s’intéresser à l’impact des gradients horizontaux sur l’image acquise par le capteur CCD de l’instrument, et
aux méthodes possibles de modélisation et de correction. On s’intéressera en particulier à l’apport de
caméra externes, du type de celle proposée dans [Guillaume and Burki 2008], permettant d’optimiser les
méthodes de détection de prisme et de pointé automatique : amélioration de la qualité du capteur CCD
utilisé (densité de pixels, taille, résolution), utilisation de séries d’images pour détecter le centre du prisme
utilisation de filtres de couleurs pour estimer/corriger la réfraction sur l’image (cf. [Kasser et Magnenat
2017]).

Une autre piste envisagée est celle de l’estimation de la réfraction liée aux gradients de température en
adaptant le principe des visées réciproques simultanées à l’intérieur du réseau. Il s’agira sur ce point de
poursuivre les travaux réalisés en 2017 (cf. [Gobron 2017], [Oubah et al. 2018]) sur la mise en place d’un
réseau expérimental d’auscultation localisé sur le toit du bâtiment de l’ESGT, permettant la réalisation de
visées réciproques simultanées entre deux stations totales automatisées, et la comparaison des valeurs
estimées de réfraction avec des données météorologiques le long des lignes de visées. Pour cette étude,
comme proposé dans [Hirt et al. 2010], on pourra utiliser soit le capteur interne des stations totales, soit
mettre en oeuvre une caméra externe. Concernant l’estimation de l’erreur liée à la réfraction sur les
mesures, la thèse devra également s’intéresser à la faisabilité d’une estimation directe de cette erreur à
l’intérieur du réseau, du fait de la redondance importante des observations et de configurations
particulières de mesure (visées doubles simultanées). La thèse s’appuiera pour cela sur le logiciel CoMeT du
laboratoire GeF, spécialisé dans l’ajustement de mesures topographiques (cf. [Durand 2016]).

Références
[Assemat 2015] Assemat, Julien, Évaluation des performances de capteurs topographiques pour la mesure
de déformation, INSA Strasbourg, Mémoire de fin d’études, 2015
[Bayoud 2007] Bayoud Fadi, Leica Geosystems Total Station Series TPS1200. White Paper Leica Geosystems,
2007
[Durand 2016] Stéphane Durand, Manuel d’utilisation du logiciel CoMeT - Compensation de mesures
topographiqes, version 2016.06.04, Laboratoire Géomatique et Foncier, 2016
[Gobron 2017] Gobron, Kévin, Étude de la correction des effets de la réfraction atmosphérique sur les
mesures tachéométriques, Mémoire de fin d’études, ENSG/ESGT, 2017
[Guillaume and Burki 2008] Guillaume, S., and B. Bürki, Digital astrogeodetic online observation system
Daedalus: User manual v1.0, report, Inst. Geod. Photogramm., ETH Zurich, Zurich, Switzerland.
[Hirt et al 2010] Christian Hirt, Sébastien Guillaume, Annemarie Wisbar, Beat Bürki, and Harald Sternberg,
Monitoring of the refraction coefficient in the lower atmosphere using a controlled setup of simultaneous
reciprocal vertical angle measurements. Journal of Geophysical esearch, vol 115, 2010
[Kasser et Magnenat 2017] Michel Kasser et Jean-Luc Magnenat, Etude d’un nouveau procédé pour la
mesure et la correction de la réfraction par corrélation d ‘images, Revue XYZ, n°153, 4ème trimestre 2017
[LaFonta et al. 2013] Jean-Ghislain LaFonta, Loic Galisson, Boris Caro Vargas, Close monitoring for the
construction of Alaskan Way Tunnel SR99 in Seattle, Tunnels et espace souterrain, n239, Septembre/octobre
2013
[Longstreet 2011] Brad Longstreet, Monitoring Toronto’s Union Station, Leica Reporter, n°65, septembre
2011.
[Oubah et al 2018] Hamza Oubah, Leslie Sokeng, Juliet Thomas, Développement d'une chaine d'acquisition
automatisée de mesures tachéométriques, Projet préprofessionnel ESGT 5ème année du cycle ingénieur,
2018