Le BRGM utilise depuis 2017 le scanner laser mobile, outil de modélisation en 3D. Plusieurs projets ont depuis bénéficié de sa haute précision pour cartographier les vides souterrains et prévenir les risques d’effondrement.
10 mars 2021

Modélisation 3D des cavités souterraines

Dans les "Minutes de l'innovation cat-nat et climatique", l'association MRN (Mission Risques Naturels) met à l'honneur le scanner laser mobile, notre outil de modélisation 3D. Silvain Yart, ingénieur risques cavités au BRGM, revient sur l'intérêt et les possibilités qu'offre cet outil dans les endroits difficile d'accès comme les cavités souterraines.

© Mission Risques Naturels

Le Bureau de recherches géologiques et minières, le BRGM, développe l'utilisation des scanners laser mobiles pour la prévention des effondrements de cavités souterraines. Ces scanners permettent de modéliser l'espace souterrain, qui était difficilement accessible au moyen de topographies classiques. On cartographie ainsi en peu de temps des superficies importantes comme d'anciennes carrières souterraines de plusieurs dizaines d'hectares. Ce qui était inenvisageable avec les anciens outils. Actuellement, en France, on compte 190 000 cavités, qu'elles soient naturelles ou entropiques, Et beaucoup d'entre elles ont été creusées par l'homme en périphérie des centres urbains historiques. Elles se trouvent aujourd'hui dans des zones qui ont été gagnées par l'urbanisation. Les effondrements de ces cavités présentent une menace évidente pour les vies humaines, mais aussi pour les infrastructures. Donc, recenser et diagnostiquer l'état de ces cavités souterraines constitue un enjeu majeur. Et c'est une des missions du BRGM. Le scanner est constitué d'un capteur laser associé à un accéléromètre. L'ensemble tourne autour de lui-même et mesure la distance le séparant des parois de la cavité sur 360 degrés jusqu'à 300 000 fois par seconde. La numérisation se fait au fur et à mesure des déplacements de l'opérateur en charge du dispositif. Il peut ainsi scanner une cavité dans ses moindres recoins en un temps très court. À l'issue de l'acquisition, un algorithme basé sur la reconnaissance d'objets reconstitue un modèle 3D de la cavité. De retour du terrain, le modèle 3D est exploité pour en tirer les informations utiles à l'évaluation du risque. Elles viennent compléter les observations visuelles faites sur site. Elles permettront de localiser avec une précision désymétrique la cavité par rapport aux infrastructures en surface, d'identifier les zones dégradées sur les parois de la cavité, là où la probabilité d'apparition d'un effondrement va être la plus grande. On peut aujourd'hui proposer une réponse plus fiable et plus rapide aux problématiques liées aux effondrements de cavités. Généralement, la numérisation 3D d'une cavité de taille moyenne va représenter un coût de quelques milliers d'euros sur le budget global d'une étude de stabilité. C'est ce coût limité au vu des bénéfices apportés par l'outil qui va permettre de mobiliser la technologie dans nombre de nos offres de service. C'est vraiment la souplesse et le rendement de ces nouveaux outils qui a radicalement changé notre façon de travailler. Il y a donc 2 intérêts majeurs avec cette solution. Premièrement, pour les cavités déjà identifiées, elle va améliorer la connaissance grâce à des cartographies avec une précision élevée. Ça permettra d'anticiper les désordres, comme les effondrements, et donc de fournir une meilleure analyse des risques. Deuxièmement, lors de la découverte de cavités non identifiées, elle nous permettra d'intervenir très rapidement. C'est un outil très simple à déployer. Et cette agilité va être essentielle dans la gestion des sinistres.

Zeb-revo - cartographie 3D des cavités souterraines

Le laser mobile Zeb-revo est un outil pour cartographier les cavités souterraines en 3D haute précision. Il permet de modéliser l'espace souterrain inaccessible par d'autres moyens, notamment en milieu urbain, afin de prévenir les risques d'effondrement.

© BRGM

Grottes, gouffres, mais aussi anciennes carrières ou caves. En France, au moins 180 000 cavités sont cachées sous nos pieds, qu'elles soient naturelles ou construites par l'homme. Au fur et à mesure du temps, beaucoup d'entre elles ont été oubliées, et des bâtiments ont été construits par-dessus. Si l'on veut prévenir tout risque d'effondrement de ces souterrains qui menaceraient les constructions, il faut contrôler leur stabilité. C'est le rôle de la direction Risques et Prévention du BRGM qui gère la base de données nationale des cavités souterraines abandonnées. Elle s'est dotée d'un scanner 3D mobile afin de les cartographier. Le scanner 3D utilise un faisceau laser pour sonder son environnement. Le temps de trajet aller et retour du rayon indique la distance qui sépare l'appareil de sa cible. Le scanner effectue plus de 43 000 mesures par seconde pour créer un nuage de points qui représente en 3 dimensions la géométrie des objets scannés avec un niveau de détail centimétrique.

Le scanner laser 3D présente 2 intérêts majeurs. Tout d'abord, il fonctionne en souterrain, ce que ne nous permet pas de faire le GPS, qui, lui, ne passe pas sous terre par définition. Le 2e intérêt majeur, c'est que c'est un appareil qui permet de travailler rapidement contrairement aux techniques de topographie classiques, lourdes à mettre en œuvre. Du coup, on est capables de faire des levées de grottes ou de carrières en quelques heures ou quelques jours tout au plus, ce qu'on n'aurait pas pu faire avec des techniques classiques.

Ici, sous la basilique Saint-Rémi de Reims, 450 m de galeries ont été cartographiées en moins de 2 heures.

Le scanner laser 3D va changer notre façon de travailler au BRGM. C'est un appareil qui nous permet d'avoir rapidement une géométrie complète et exacte des vides souterrains. On va aussi avoir une information, dans cette géométrie, sur les zones de faiblesse de la cavité, tout ce qui est fracturation, zones instables. On peut repositionner toutes ces observations par rapport aux enjeux en surface, donc les bâtiments, par exemple, et prendre les mesures de prévention des risques adaptées. Ça peut être évacuer une habitation si on met en évidence un péril imminent par rapport à une cavité instable à faible profondeur.

L'équipe du BRGM cartographie ainsi chaque année plus de 15 hectares sur l'ensemble du territoire français.

Grottes, gouffres, mais aussi anciennes carrières ou caves : près de 180 000 cavités sont recensées en France. 

Recenser et surveiller les cavités souterraines, une mission du BRGM 

Qu’elles soient d’origine naturelle ou construites par l’homme, ces cavités doivent être cartographiées afin notamment d’identifier les zones de faiblesse et ainsi éviter qu’elles ne s’effondrent en entraînant avec elles des habitations ou tout autre édifice en surface. 

A cette fin, le BRGM gère la banque de données nationales des cavités souterraines abandonnées

Le scanner laser mobile, un outil révolutionnaire pour cartographier les cavités souterraines 

Doté d’un faisceau laser qui effectue près de 43 000 mesures par seconde, le scanner laser mobile a véritablement changé la donne en matière de prévention des risques. Utilisé depuis 2017 par le BRGM pour cartographier en 3D les cavités souterraines, cet outil permet de réaliser des levés en un temps record en comparaison des techniques de topographie classiques.

Modèle 3D d’une carrière souterraine à Orléans
  • 180000.00
    cavités recensées en France

  • 15.00
    hectares de cavités scannées chaque année

  • 43000.00
    mesures par seconde

  • 2.00
    intérêts majeurs : rapidité et mobilité