Usages des données 3D urbaines pour les villes de Genève et Lausanne

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1 Usages des données 3D urbaines pour les villes de Genève et Lausanne Rencontres SIG La Lettre : Le Grand Boom de la 3D Claudio Carneiro Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) Laboratoire de Systèmes d Information Géographique (LaSIG) /1

2 Sujets Données 3D: nature et représentation Identification des besoins utilisateurs (interviews) Applications 3D urbaines Indicateurs urbains: quelques exemples Etude da la radiation solaire en milieu urbain Conclusions et perspectives /2

3 Magnifiques vues de Salzburg et Ottawa!... 3D Fly-By of Ottawa mais que peut-on bien en faire avec?! /3

4 Modèles urbains et indicateurs 3D: Buts du projet Pour démontrer l utilité et l utilisabilité réelles de ces modèles urbains numériques: développer des processus d acquisition, d agrégation et de présentation d indicateurs de l évolution urbaine dans une perception tridimensionnelle de la ville estimer la plus-value pour la compréhension des phénomènes urbains aide à la prise de décision /4

5 On peut bénéficier d un modèle urbain 3D sans même passer par la représentation 3D! Exemple: Evaluation des émissions du bruit routier le modèle de simulation pourrait utiliser les points LIDAR bruts /5

6 Sources de données Modèle urbain vectoriel 3D Vectorielles 2D Raster 2.5D Attributaires stockées Base de Données Laser aériens (LIDAR) et terrestres: points bruts Photos aériennes (orthophotos) et terrestres /6

7 Différents niveaux de détail de représentations 3D (évaluation et intérêt) Niveaux de détail de représentations 3D (NDR) NDR0 - Modèle Digital de Terrain (2.5D) Sources de données laser Plus de précision NDR1 - bloques de bâtiments sans structure de toits (3D) NDR2 bâtiments texturés avec des structures de toits (3D) NDR3 bâtiments Architecturales détaillés (3D) cadastre, laser aérien laser aérien et terrestre, photogrammétrie Photogrammétrie et laser terrestre (façades de bâtiments), approches hybrides NDR4 intérieur des bâtiments (3D) laser terrestre /7 Selon les normes proposées par «CityGML»

8 Identification des «besoins utilisateurs» (interviews) 1) Différents domaines de travail des utilisateurs concernés: L'analyse du sondage 3D montre qu'il existe de réels besoins à Genève de modéliser des données en 3D. Pour une meilleure organisation et compréhension des besoins de chacun, les résultats du sondage ont été classés en 6 domaines distincts: Architecture, urbanisme et aménagement du territoire Environnement et énergie Trafic urbain (automobile, ferroviaire et aérien) Mobilité (piétons et cycliste): Sécurité et gestion de situations de catastrophe/urgence Souterrain /8

9 2) Evaluation préliminaire des domaines d intervention (quelques exemples): Architecture, urbanisme et aménagement du territoire : intégration de nouveaux projets d architecture et réalité virtuelle; défense du patrimoine existant; impacte de nouveaux bâtiments dans l environnement bâti existant; intégration de «connaissance» urbaine dans des modèles 3D urbains; Environnement et énergie: dérivation du volume et surface des bâtiments construits; analyse de la consommation énergétique des bâtiments construits; protection contre hauts niveaux de bruit; protection contre la pollution bâti; Trafic urbain (automobile, ferroviaire et aérien): dérivation des plans d obstacles autour de la zone de sécurité de l aéroport; simulations de vols (approche et atterrissage); simulation de pollution automobile; Mobilité (piétons et cycliste): analyse des mobilités considérant les distances réelles et pas le «vol d oiseau»; Sécurité et gestion de situations de catastrophe/urgence: situations médicales de secours (atterrissage d hélicoptères); Souterrain: intégration données hors-sol/sous-sol; gestion 3D des équipements souterrains; /9

10 Différents niveaux de détail de représentations 3D (évaluation et intérêt): trois niveaux de détail supplémentaires proposés dans le cadre de la 3D à Genève L évaluation menée à Genève nous a conduits à insérer trois NDR supplémentaires (par rapport à la norme «CityGML»), car les façades de bâtiments peuvent être aussi classifiées et visualisées comme : /10

11 Extractions d indicateurs/informations /11

12 Choix des indicateurs de développement et durabilité: quelques exemples Un indicateur constitue une interprétation empirique et indirecte de la réalité Résultat d une sélection pertinente ou d une agrégation de données Réduction de l information favorise une meilleure compréhension des phénomènes complexes! Domaine Enjeux Indicateurs Source de données Architecture, urbanisme et aménagement du territoire Qualité de l environnement construit Qualité du tissu urbain Respect des normes de construction Cartes de visibilité Ensoleillement Morphologiques Comparaison entre la hauteur des bâtiments et les normes légales LIDAR et cadastre LIDAR et cadastre LIDAR, photogrammétrie et cadastre LIDAR et Normes /12

13 Choix des indicateurs de développement et durabilité: quelques exemples Domaine Enjeux Indicateurs Source de données Effets de la texture urbaine dans la consommation énergétique Rapport surface/volume du tissue urbain Zones passives LIDAR LIDAR Environnement et énergie Effets de la texture urbaine dans la concentration de polluants Habitants exposés aux sources de rayonnement Flux d air et dispersion Zones des façades de bâtiments exposées à des sources de rayonnement (intensité) LIDAR LIDAR et photogrammétrie Aptitude des toits à recevoir des panneaux solaires Intensité du rayonnement capté par les toits (orientation, pente, ) LIDAR et photogrammétrie /13

14 Extraction d indicateurs 3D: modélisation urbaine 3D à partir d approches hybrides en utilisant des données LIDAR (nuage de points brut) et cadastrales Les données cadastrales 2D peuvent être utilisées avec un attribut hauteur pour modéliser les objets d une façon trop généralisée (comme ensemble de bloques) + attribut hauteur chaque bâtiment mais surtout pour mieux caller les données issues de la technologie laser aéroporté (LIDAR), notamment en définissant une empreinte au sol plus précise des bâtiments modélisés! [Schwalbe et al., 2005] /14

15 Technique appliquée pour la mise en place d un modèle urbain de surface 3D (terrain, bâtiments et maisons) à partir de données laser LIDAR en brut, pour ultérieur calcul de cartes de visibilité, exposition solaire, mobilité piétonnière et cycliste, etc /15

16 Etude de la radiation solaire en milieu urbain en utilisant un modèle urbain numérique 2.5D et des techniques image processing par implémentation d algorithmes spécifiques L objectif de cette application est de: - Déterminer le degré d exposition solaire des facades et toits de chaque bâtiment - Quantifier la radiation solaire (directe et diffuse) reçue par les façades et toits de chaque bâtiment /16

17 Exemple de Modèle 2.5D Urbain Numérique d Haute Précision en étude, pour une zone pilote du centre ville de Genève 2D (image aérienne) 2.5D (modèle urbain numérique) /17

18 Techniques Image Processing pour l analyse de la texture urbaine: travaux mennés dans le passé University of Cambridge (UK) and Senseable City Lab au MIT, Boston, USA (Morello and Ratti, 2009) /18

19 Présentation de la méthodologie: blackbox /19

20 Présentation de la méthodologie: top-down & bottom-up Données Remote Sensing Applications développées par l utilisateur /20

21 Présentation de la méthodologie: Image Processing des images (grilles) pour l étude de la radiation solaire en milieu urbain Liste des 6 images nécessaires pour faire tourner l application: 1 - MNH, ici appelé Modèle Numérique Urbain 2.5D 2 - Bâtiments 3 - Identifiants des bâtiments 4 - Identifiants des façades des bâtiments 5 - Orientation 6 - Pente /21

22 Présentation de la méthodologie: Image Processing des images (grilles) pour l étude de la radiation solaire en milieu urbain /22

23 Exemple de visualisation relatif au calcul d ombrage Les ombrages sont calculées à chaque heure, pour le jour moyen de chaque mois, de façon à savoir quels pixels sont sous l exposition solaire /23

24 Exemple de calcul: radiation totale sur les façades des bâtiments Le 10 Décembre à 10 AM, 12 PM and 2 PM : (a) radiation totale (MW); (b) radiation moyenne (W/m 2 ); (c) pourcentage des surfaces verticles sous radiation solaire directe (a) (b) (c) /24

25 Exemple de visualisation 2.5D de la radiation solaire reçue par les toits des bâtiments Le 10 Décembre à 10AM /25

26 Exemple de calcul: radiation totale sur les toits des bâtiments Le 10 Décembre à 10 AM, 12 PM and 2 PM : (a) radiation totale (MW); (b) radiation moyenne (W/m 2 ); (c) pourcentage des toits sous radiation solaire directe (a) (b) /26 (c)

27 Exemple de visualisation 3D: radiation (directe et diffuse) moyenne reçue par toutes les façades agrégées par bâtiment Le 10 Décembre à 12PM /27

28 Exemple de visualisation 2D: radiation (directe et diffuse) moyenne reçue par chaque façade de bâtiment Le 10 Décembre à 12PM /28

29 Exemple de visualisation 2D: pourcentage de façade sous exposition solaire Le 10 Décembre à 12PM /29

30 Conclusions la diversité des besoins des utilisateurs de modèles urbains nécessite différents niveaux de détail et modes de représentation et de visualisation de la ville des modèles urbains très détaillés, assortis de façades texturées individuellement, ne constituent pas a priori une solution efficace pour certaines tâches de développement et d observation de la ville les tâches et les objectifs des planificateurs et gestionnaires urbains doivent être soigneusement identifiés pour permettre un choix judicieux d indicateurs du développement urbain et pour en déduire des modes de représentation et de visualisation adéquates du tissu urbain d autres villes, différentes par la nature du tissu urbain et par les enjeux de leur développement, feront sans doute émerger d autres besoins et nécessiteront la définition d autres indicateurs /30

31 Perspectives Travaux en cours de développement: Améliorer la qualité du modèle proposé en intégrant des informations relatives à d autres objets/éléments urbains, notamment les arbres Proposer des méthodes de validation indépendantes du modèle proposé, comme par exemple, en utilisant l application RADIANCE (en cours de développement) Analyser l utilisabilité des visualisations 2D, 2.5D et 3D proposées pour ces indicateurs urbains /31

32 Je vous remercie pour votre attention!!! /32

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