L information géographique et la 3D

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1 P7 : Projet Bibliographique Dans le cadre du Mastère ASIG L information géographique et la 3D Julien PLACE Le 5 Mai 2008 Mastère ASIG / Projet bibliographique

2 INTRODUCTION La «3D» est pour la plupart d entre nous synonyme de monde virtuel réaliste dans lequel il est possible de se déplacer de manière immergée. Les jeux vidéo, avec la montée en puissance des ordinateurs, ont démocratisé cette technologie et ont augmenté ainsi les exigences du grand public. Cependant, la définition du terme «3D» est une question de point de vue et dépend principalement de l utilisation que l on veut en faire. Dans le domaine de l information géographique, la 3D a souvent été considérée comme une discipline à part. Aussi avait-on d un côté les logiciels d urbanisme (de Conception Assistée par Ordinateur ou CAO) et de l autre les logiciels SIG (Systèmes d Information Géographique) conçus à l origine pour penser le monde en 2 dimensions. Longtemps ces deux mondes se sont ignorés, évoluant chacun à leur rythme et selon leurs propres standards. Depuis quelques années, ces deux mondes tendent à fusionner, les éditeurs de logiciels SIG réfléchissant à intégrer pleinement la 3 e dimension et les éditeurs de logiciels de CAO, l information géographique. Ce changement est rendu visible par l apparition d acteurs extérieurs proposant des portails géographiques en 3D mais également par l augmentation d initiatives locales ou de projets de recherche. Dans un premier temps, l évolution de la troisième dimension dans les logiciels SIG brièvement sera retracée. Puis les différentes données 3D existantes seront présentées ainsi que les divers moyens de les visualiser. Ensuite, quelques exemples de modèles 3D urbains ainsi que de projets de recherche actuels viendront illustrer ce qu est l information géographique 3D aujourd hui. Enfin, les récentes normes relatives à celle-ci seront abordées. Mastère ASIG / Projet bibliographique

3 TABLE DES MATIERES INTRODUCTION 2 1 L EVOLUTION DE LA 3D DANS LES LOGICIELS SIG LA 2D LA 2D½ LA 2D¾ OU LES PREMICES DE LA 3D 8 2 LES DONNEES GEOGRAPHIQUES 3D LES MODELES NUMERIQUES DE TERRAIN LES OBJETS 3D LES BATIMENTS LES DONNEES LASER 14 3 LA VISUALISATION DES DONNEES GEOGRAPHIQUES 3D LES PORTAILS GEOGRAPHIQUES Les portails mondiaux Les portails français LES LOGICIELS SIG ACTUELS LES MODELES NUMERIQUES URBAINS EN 3D 19 4 QUELQUES EXEMPLES DE PROJETS ACTUELS EXEMPLES DE MODELES 3D URBAINS La ville du Havre La ville de Vienne (Autriche) EXEMPLES DE PROJETS DE RECHERCHE Le «projet SIG4D» Le projet Terra Magna Cap Digital Paris Région Présentation du projet Les forces de ses acteurs 29 5 LA NORMALISATION DE L INFORMATION GEOGRAPHIQUE 3D LES NORMES OGC ET ISO LE FORMAT CITYGML 32 CONCLUSION 35 BIBLIOGRAPHIE 36 Mastère ASIG / Projet bibliographique

4 TABLE DES ILLUSTRATIONS FIGURE 1 : EXEMPLE DE PLAN CADASTRAL (BD PARCELLAIRE VECTEUR IGN) 6 FIGURE 2 : PRINCIPE DE LA 2D¼ 8 FIGURE 3 : CARTE DE PENTE ET CARTE HYPSOMETRIQUE 8 FIGURE 4 : ECHANGEUR AUTOROUTIER AUX ETATS-UNIS 9 FIGURE 5 : DIFFERENTES MODELISATIONS DE LA 3D DANS LES LOGICIELS SIG 9 FIGURE 6 : DIAGRAMMES UML DE DEUX MODELISATIONS DE LA TOPOLOGIE 3D 13 FIGURE 7 : LIGNES DE STRUCTURE UTILISEES LORS DE LA MODELISATION 14 FIGURE 8 : MODELE FILAIRE DES LIGNES DE STRUCTURE ET MODELE DE SURFACE DERIVE 14 FIGURE 9 : MODELES TQC ET TQS DU TEMPLE D AUGUSTE ET LIVIE A VIENNE (38) 15 FIGURE 10 : NOTRE-DAME DE PARIS (GOOGLE EARTH) 16 FIGURE 11 : NEW YORK (VIRTUAL EARTH) 17 FIGURE 12 : VUES ISSUES DU GEOPORTAIL 3D 18 FIGURE 13 : EXEMPLE ISSU DE ARCGIS 3D ANALYST (ESRI) 19 FIGURE 14 : EXEMPLE D INTERFACE SIG/CITYGRID 20 FIGURE 15 : MAQUETTE DU FUTUR OUTIL WEB DE VISUALISATION DU HAVRE 3D 21 FIGURE 16 : SIMULATION DE LA VOLUMETRIE D UN PLAN DE COMPOSITION 22 FIGURE 17 : PERSPECTIVE A MAIN LEVEE CONTRE SIMULATION 3D POUR UN PROJET D IMMEUBLE 22 FIGURE 18 : SIMULATION D EMBELLISSEMENT DE LA RUE DE PARIS AVEC DES STORES 22 Mastère ASIG / Projet bibliographique

5 FIGURE 19 : NIVEAUX DE DETAILS DU MODELE 3D URBAIN DE VIENNE (AUTRICHE) 23 FIGURE 20 : MODELE 3D URBAIN DE LA VILLE DE VIENNE (AUTRICHE) 23 FIGURE 21 : ETUDE DE VISIBILITE POUR L IMPLANTATION DE LA TOUR KOMETGRÜNDE 24 FIGURE 22 : ELABORATION D UN «MASTERPLAN» POUR LE DEVELOPPEMENT URBAIN 24 FIGURE 23 : RESULTATS DE TRAVAUX D ETUDIANTS 26 FIGURE 24 : ORGANISATION DES LOTS DU PROJET TERRA MAGNA 28 FIGURE 25 : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU HUB GEOSPATIAL DE STAR-APIC 29 FIGURE 26 : EXEMPLE DE BATIMENTS OBTENUS PAR BATI3D 30 FIGURE 27 : EXEMPLES DE PAYSAGES MODELISES AVEC LANDSIM3D DE BIONATICS 30 FIGURE 28 : PANORAMA DES NORMES ISO RELATIVES A L INFORMATION GEOGRAPHIQUE 31 FIGURE 29 : EXEMPLES DE NIVEAUX DE DETAILS DE LA NORME CITYGML 33 FIGURE 30 : INTEGRATION DES NIVEAUX DE DETAILS SELON LA DISTANCE 34 Mastère ASIG / Projet bibliographique

6 1 L EVOLUTION DE LA 3D DANS LES LOGICIELS SIG Qu est-ce que la «3D»? Littéralement, cela signifie «Trois Dimensions». Il s agit donc de considérer l altitude (Z) d un objet en plus de ses simples coordonnées planimétriques X et Y. Cette troisième dimension n a pas été considérée immédiatement dans les SIG. Voyons comment cette dernière est apparue et a évolué dans les logiciels SIG. 1.1 LA 2D Le choix de la 2D par les logiciels SIG fut à l origine imposé par la technique, ne sachant pas à l époque comment stocker ni représenter la dimension verticale des objets modélisés. De plus, à la création des bases de données utilisées dans ces premiers logiciels dits «SIG», seules des données cartographiques étaient disponibles, obtenue par la numérisation des cartes papier existantes, donc en 2D. Les informations de relief saisies se limitaient alors à quelques éléments d orographie : courbes de niveau, points cotés. Certaines informations pouvaient être également stockées de manière détournée. Ainsi des l altitude moyenne de certains bâtiments pouvait être enregistrée en ajoutant un attribut spécifique Z aux objets concernés. Cela ne permettait alors que d effectuer des requêtes «spatiales» sommaires sur les éléments de reliefs telles que la sélection de tous les bâtiments supérieurs à une certaine hauteur, l information sur la hauteur d un mobilier urbain, le nombre d étages d un bâtiment, etc. Ce type de représentation de l espace est satisfaisant pour un certain nombre d utilisateurs qui n utilisent que les fonctionnalités de base du SIG. C est ainsi le cas des producteurs de données ou des utilisateurs effectuant de la cartographie thématique ne prenant pas en compte les problématiques de relief (ex : le plan cadastral). Figure 1 : Exemple de plan cadastral (BD Parcellaire vecteur IGN) Mastère ASIG / Projet bibliographique

7 La non considération de la dimension verticale dans les logiciels SIG ne permet malheureusement pas à ses utilisateurs de résoudre des problèmes tels que : Etude des pollutions sonores et atmosphériques ; Etude des zones exposées à des risques naturels (ex : zones inondables, zones sismiques, cavités souterraines, etc.) ou technologiques ; Etude des offres de transports en commun en fonction de la population résidentielle (répartition à l adresse et/ou à l étage du nombre d habitants) ; Etude du respect des règles d urbanisme (hauteurs des immeubles, etc.) ; Etude fine de visibilité d un élément architectural dans le paysage (nouveau lotissement, mobilier urbain, etc.) ; Etude de couverture d un quartier par les antennes de télécommunication ; Gestion de réseaux de surface, aériens ou souterrains ainsi que leurs interconnexions ; Etc. Un modèle 3D structuré d une ville permettrait également dans un futur proche de : Visiter virtuellement le quartier dans lequel on souhaite acheter ou louer une maison ; Connaître précisément les monuments à visiter dans cette ville ; Connaître les maisons dont le toit est propice à l installation de panneaux solaires ; Etc. C est pour tenter de résoudre toute ou partie de ces problèmes que la 3 e dimension fut introduite petit à petit, la première étape ayant été désignée sous l appellation «2D½». 1.2 LA 2D½ Cette notion de 2D½ regroupe les différentes solutions prenant en compte le relief et/ou les altitudes des éléments représentés mais sans répondre totalement aux besoins énoncés précédemment. On distingue deux niveaux de modélisation, le premier étant la simple intégration du relief d un territoire : on nomme celle-ci la «2D¼». Cette modélisation exploite les modèles numériques de terrain afin d associer à tout point de la modélisation 2D de l espace un seul et unique Z. L altitude du sol peut alors être calculée automatiquement en tout lieu par interpolation sur le modèle numérique de terrain. On peut alors considérer notre espace comme une carte drapée sur le relief, à la manière d une carte en relief de l IGN. Mastère ASIG / Projet bibliographique

8 Figure 2 : Principe de la 2D¼ Cette modélisation permet d effectuer certains traitements impossibles en 2D comme la réalisation de carte des pentes, de cartes hypsométriques ou d estompage. Le terrain peut être vu en perspective (ex : mise en valeur d un domaine skiable). Il est également possible d effectuer des études de visibilité (ex : lors de l implantation d éoliennes) ou d ensoleillement mais il est nécessaire de rappeler qu une telle modélisation ne prend en compte dans ces traitements que le relief sans les bâtiments. Cependant le remplacement du modèle numérique de terrain (MNT) par un modèle numérique de surface (MNS) peut pallier en partie à cette limitation. Figure 3 : Carte de pente et carte hypsométrique En 2D¼, le Z est imposé par le modèle de terrain choisi, contrairement à la «vraie» 2D½ où la possibilité est laissée à l utilisateur de fixer un unique Z différent de l altitude en tout point (x,y) du plan. Cela a constitué une avancée dans l histoire des logiciels SIG mais empêchait cependant toute modélisation volumique de bâtiment (à moins de décaler les points hauts et les points bas de chaque mur). 1.3 LA 2D¾ OU LES PREMICES DE LA 3D La 2D½ est suffisante pour ce qui est de la modélisation volumique de bâtiments, permettant ainsi certaines analyses en milieu urbain. Cependant elle atteint rapidement Mastère ASIG / Projet bibliographique

9 ses limites lors de situations spécifiques comme des carrefours complexes, ne collant pas à la surface du terrain et/ou présentant un nombre important de superpositions. Figure 4 : Echangeur autoroutier aux Etats-Unis Afin de résoudre ces problèmes, les éditeurs ont conçu la modélisation «2D¾» dont la nouveauté fut de permettre l attribution de deux (ou d un nombre fini de) Z pour un même point (x,y). Etant évident que cette modélisation n est pas de la réelle 3D, elle a cependant répondu à un grand nombre des besoins énoncés précédemment. Figure 5 : Différentes modélisations de la 3D dans les logiciels SIG La 2D¾ a posé la question de l utilité de la 3D : désire-t-on de la 3D pour de l unique visualisation (bâtiment en volumes décrit par ses surfaces, sans information) ou de la 3D pour répondre à un réel besoin comme le suivi de la propagation de polluant? Alors que la première hypothèse relève plus du domaine de la CAO, la seconde impose de réfléchir à une nouvelle modélisation de ces géométries 3D. Mais attardons nous tout d abord sur la manière d acquérir ces données 3D Mastère ASIG / Projet bibliographique

10 2 LES DONNEES GEOGRAPHIQUES 3D Avant même de penser à modéliser un SIG 3D, il est important de s intéresser aux données géographiques 3D que nous possédons. Ces données sont en effet la principale contrainte de modélisation car on ne crée jamais un SIG à partir de rien : on part toujours d un existant que sont ces données. 2.1 LES MODELES NUMERIQUES DE TERRAIN Un modèle numérique de terrain (MNT) est une représentation de la topographie (altimétrie et/ou bathymétrie) d une zone terrestre. Il se présente généralement sous la forme d un maillage carré de pas régulier dont les altitudes des nœuds sont connues, ou sous la forme d un nuage de points. Il existe différentes manières de constituer un MNT ainsi que différents formats de stockage des données. Les techniques d acquisition sont nombreuses : L interférométrie radar, obtenue via des satellites radar. On peut citer le MNT international SRTM du nom de la mission gouvernementale américaine (Shuttle Radar Topography Mission), proposant des données MNT mondiales sur l ensemble des zones comprise entre 56 de latitude sud et 60 de latitude nord (soit environ 80% des terres émergées) à un pas de 1seconde d arc (environ 90m). La photogrammétrie. La stéréoscopie à partir d un couple d images aériennes ou satellitaires permet la restitution du relief. Effectuée par un opérateur, cette restitution peut donner lieu à des courbes de niveaux ou à des nuages de points ; effectuée par corrélation automatique, elle donne lieu à la production de MNT ou de TIN (Triangular Irregular Network). La lasergrammétrie. Le lever aéroporté via un LIDAR (Light Detection and Ranging) est une technique d acquisition très répandue pour la constitution de données MNT de précision sur un territoire de taille raisonnable. Le lever laser terrestre peut également permettre dans certains cas la production d un modèle de terrain à très petite échelle, son utilisation étant préférée pour le lever architectural. Le lever topographique, effectué par des géomètres. On obtient alors un nuage de points terrain connus en X, Y et Z. La numérisation de courbes de niveaux issues de cartes papier. Mastère ASIG / Projet bibliographique

11 La manière d acquérir des données dépend fortement de l échelle à laquelle on souhaite travailler et de la zone géographique à couvrir. Ces données sont livrées avec ou sans post-traitements (correction des aberrations du MNT sur les zones côtières ou les surfaces réfléchissantes, interpolation des parties cachées par les nuages ou le relief, etc.). Différents formats de données sont possibles, lesquels se répartissent entre : Raster : le fichier MNT se présente sous la forme d une matrice de couleurs dont la valeur est proportionnelle à l altitude du terrain. Vecteur : le MNT se présente sous la forme soit d une liste de coordonnées X Y Z, soit d une matrice de Z, soit d une énumération de Z, l emprise et le pas du MNT étant connues. Il existe également un type de Il existe différentes sortes de modèles numériques regroupés généralement sous l appellation «MNT». Cependant, on distingue parmi ces MNT (ou DTM pour Digital Terrain Model) : Les MNA, modèles numériques d altitude aussi appelées DEM (Digital Elevation Model), qui décrivent le profil du sol nu de tout sursol (bâtiments, végétation). L appellation MNT est habituellement préférée à celle de MNA. Les MNE, modèles numériques d élévation, décrivent le profil du sol nu auquel s ajoute la hauteur du sursol. Les MNS, modèle numériques de surface, sont souvent confondus avec les MNE. Pour certains, les MNS décrivent le sursol et uniquement le sursol, c est-à-dire la hauteur des bâtiments et de la végétation haute objet par objet sans le MNT. 2.2 LES OBJETS 3D De nombreux éléments d une ville tels que des bâtiments aux géométries particulières ou plus généralement le mobilier urbain, ne peuvent être modélisés autrement que par des techniques de CAO. Il existe différentes manières de générer et stocker des éléments volumiques. Les cinq modèles géométriques les plus répandus sont les suivants : Constructive Solid Geometry (CSG) : cette modélisation consiste en une combinaison d objets modélisés selon la méthode RSBO (Regularized Boolean Set Operation) où des solides sont créés par union, intersection et différence de solides simples. Cependant cette modélisation a le défaut de ne pas être unique. Mastère ASIG / Projet bibliographique

12 Instanciation de primitives : une bibliothèque d objets est mise à la disposition de l utilisateur. Chaque propriété de l objet est alors paramétrable (largeur, hauteur, etc.). Cependant cette modélisation limite l utilisateur à un nombre fini d objets, chacun devant porter ses propres fonctions de dessin et de calcul de propriétés (volume, masse ). Boundary Representation ou B-Rep : cette modélisation, proche de la modélisation fil de fer s intéresse à l enveloppe des objets, c est-à-dire aux facettes, arêtes et sommets formant leurs frontières. Les facettes peuvent ainsi être des polygones plans ou des surfaces plus ou moins complexes (quadriques). On peut adjoindre à cette modélisation une topologie entre les composants de l objet, ceci afin d éviter que des facettes ne se chevauchent. Ceci en fait une modélisation à la fois très intéressante et très utilisée. Spatial Partitioning Representations (SPR) : cette modélisation décompose chaque objets en une multitude de petits cubes élémentaires (un peu comme des octrees élémentaires). Cette méthode est avantageuse pour le calcul des volumes et la distinction entre intérieur et extérieur des objets, mais la modélisation de l objet est approximative et nécessite le stockage de nombreux objets élémentaires. Le balayage : cette modélisation consiste en la construction d un objet par balayage linéaire ou de révolution. Cela ne nécessite que la définition d une surface 2D que l on translate ou que l on fait tourner autour d un axe. Cependant leur manipulation nécessite leur transformation dans une autre modélisation car l union de deux objets balayés ne forme pas un objet balayé. La topologie est d une grande utilité dans la modélisation 3D car elle y apporte de la cohérence entre les données décrites ; elle permet la réduction du volume de stockage d objets partageant des primitives mais également la «topologie sémantique» (consistant à décrire un objet par ceux qui lui sont voisins). La modélisation par frontière est la plus adaptée à l introduction de la topologie. La topologie peut être introduite de deux manières. La modélisation classique fait intervenir : Le «nœud», équivalent topologique de la primitive géométrique «sommet» Le «arc», équivalent de l «arête», orienté par ses nœuds initial et final Le «face», équivalent de la «surface», délimitée par les arcs qui l entourent Le «volume», équivalent du «solide», délimité par les faces formant son enveloppe. Mastère ASIG / Projet bibliographique

13 Une variante de la modélisation classique consiste à introduire une notion de «Arc-Face». Ceci provient de l extension des cartes topologiques 2D ou l on pouvait avoir des boucles. Ainsi on pose cet élément «Arc-Face» comme intermédiaire entre l arc (primitive orientée) et la face (primitive non orientée). De plus, cette modélisation offre des possibilités de navigation de proche en proche entre primitives. Modélisation classique Figure 6 : Diagrammes UML de deux modélisations de la topologie 3D 2.3 LES BATIMENTS La modélisation des bâtiments constitue la clé de la réussite des modèles 3D urbains. Pouvant être modélisés via les outils de CAO lors de projets d étude, de bâtiments spécifiques ou lors de la constitution de modèles 3D à petite échelle, il est impensable de les modéliser de cette manière lors de la réalisation de modèles couvrant une ville, une région ou un pays. Plusieurs techniques existent donc pour obtenir leurs modélisations. La manière la plus rapide et la plus courante de modéliser les bâtiments d une ville consiste à élever des volumes sur la base du plan cadastral ou des permis de construire. Cela donne lieu à des modèles dits «en boites à chaussures» dont la hauteur est uniforme. Cette hauteur peut être issue des informations stockées dans le SIG ou calculée en moyennant les altitudes du bâtiment, obtenues via un lever laser aéroporté (LIDAR). Pour modéliser de manière plus précise un bâtiment, la technique utilisée est la photogrammétrie aérienne ou architecturale. Pour la première, cela consiste à tracer le profil des toitures des bâtiments. Plusieurs niveaux de détails sont possibles sur une telle modélisation, comme l illustre la figure ci-dessous. Ainsi le restituteur peut relever le faîtage ainsi que les lignes de structure du toit et accessoirement les débords de la façade. Mastère ASIG / Projet bibliographique

14 Figure 7 : Lignes de structure utilisées lors de la modélisation Cela donne lieu à des modèles parfois très précis, auxquels on ajoute sur les façades soit une texture générique, soit des photos des façades elles-mêmes issues de prises de vues aériennes obliques ou de levers terrestres. Les figures ci-dessous montrent les résultats obtenus pour un bâtiment. Figure 8 : Modèle filaire des lignes de structure et modèle de surface dérivé 2.4 LES DONNEES LASER Les données Laser peuvent être issues de levers aéroportés par LIDAR ou de levers terrestres. Les données LIDAR, généralement utilisées dans la constitution de MNT, permettent la modélisation de la végétation. En effet, il est parfois plus réaliste de conserver le rendu d un feuillage réaliste en stockant sous un même objet l ensemble des points du nuage correspondant à un ou des arbres plutôt que d appliquer à ce même endroit un arbre générique issu d une bibliothèque d objets. Cela évite d avoir une impression de «copier - coller» lorsque l on doit modéliser une rangée d arbres. Mastère ASIG / Projet bibliographique

15 Les monuments quant à eux peuvent être modélisés de deux manières : Tel Que Construit (TQC) ou Tel Que Saisi (TQS). Le modèle TQC est l aspect du bâtiment au moment de sa construction. C est un modèle idéal, que l on réalise au moyen des outils de CAO. Par contre, le modèle TQS reproduit l aspect actuel du monument. Il s agit en quelque sorte du modèle TQC que l on aurait «creusé» pour y reproduire les dégradations dues au temps qu a subi le monument. Le modèle TQS est soit obtenu par photogrammétrie architecturale, soit par levers laser 3D terrestres mais ces techniques restent exceptionnelles car très coûteuses. Figure 9 : Modèles TQC et TQS du Temple d Auguste et Livie à Vienne (38) Mastère ASIG / Projet bibliographique

16 3 LA VISUALISATION DES DONNEES GEOGRAPHIQUES 3D 3.1 LES PORTAILS GEOGRAPHIQUES Les portails mondiaux Le monde de l information géographique s est mis à l heure de la 3D récemment, notamment avec les portails géographiques en sont la vitrine vis-à-vis du grand public. Google avec son portail Google Earth, qui fait suite à Google Maps, fut l acteur le plus marquant de cette révolution, proposant un mode de représentation basé sur le visualisation du globe terrestre sur lequel il est désormais possible de contempler le relief ainsi que des bâtiments en 3D. Ces derniers sont éditables via le logiciel SketchUp. Google Earth présente l avantage de couvrir l ensemble du globe mais il n offre pas malheureusement pas une donnée homogène. Ainsi sont privilégiés les lieux touristiques ainsi que certains lieux dont les données ont été offertes par les utilisateurs. La dernière nouveauté de Google Earth réside dans l ajout d une couche Street View permettant une ballade virtuelle dans certaines villes des Etats-Unis au moyen de photos panoramiques. Figure 10 : Notre-Dame de Paris (Google Earth) Microsoft se pose comme un concurrent direct de Google avec son portail Virtual Earth, extension 3D de Microsoft Live Maps. Il fut le premier à présenter des bâtiments 3D texturés à une très bonne résolution sur les 15 plus grandes villes des Etats-Unis, permettant ainsi une ballade virtuelle dans les rues de New York (cf. figure ci-dessous). Mastère ASIG / Projet bibliographique

17 Street View n est autre que la réplique de Google à cette innovation en matière de 3D. Aujourd hui Virtual Earth propose des données aériennes sur la France ainsi que des vues obliques sur la plupart de nos villes. Les bâtiments y sont quant à eux éditables via les logiciels 3dVia développés par Dassault en partenariat avec Microsoft. Le modèle commercial de Microsoft est cependant différent de Google, cherchant à rentabiliser ce portail par l insertion d encarts publicitaires virtuels sur les façades des bâtiments virtuels. Figure 11 : New York (Virtual Earth) Les portails français Côté français, le Géoportail dans sa version 2 Bêta n est pas en reste. Il propose depuis peu une visualisation de la France et de ses territoires d Outre-mer similaire à celle proposée par les portails mondiaux précédemment présentés. De plus, il propose une visualisation du relief et du bâti en 3D et ce de manière uniforme sur l ensemble du territoire. Les bâtiments ne sont généralement pas texturés, seule l orthophoto est plaquée sur les toits et les monuments sont distingués des autres bâtiments par une couleur de murs rouge. Certains monuments sont désormais disponibles dans la version actuelle comme la Tour Eiffel. Certaines villes comme Montbéliard et Hyères voient leurs bâtiments texturés. Enfin le relief de zones littorales comme le Golfe du Morbihan peut être contemplé. Mastère ASIG / Projet bibliographique

18 Figure 12 : Vues issues du Géoportail 3D Les Pages Jaunes proposent quant à elles la visualisation de certaines villes en 3D telles que Paris, Issy-les-Moulineaux, Rennes, Lyon, Toulouse, Aix-en-Provence et Marseille. Barcelone et Madrid sont également disponibles. Ce portail nommé Ville-en-3d offre la visualisation des bâtiments 3D texturés et toitures définies finement, de l ensemble de ces villes et propose en parallèle de la navigation le plan 2D de Mappy. Il propose également une ballade en ville illustrée par 8 photos à chaque station (et non un panoramique comme Street View de Google). 3.2 LES LOGICIELS SIG ACTUELS Les modèles de données 3D ne sont pas encore implémentés dans les logiciels SIG actuels. Seule la modélisation de bâtiments ou d objets (arbres, mobiliers urbains) est permise en tant qu entité indivisible ne portant pas ou peu d informations. Des passerelles existent ainsi entre la CAO et les logiciels SIG offrant pour certains des fonctionnalités de dessin 3D et pour d autres l import de données CAO via parfois un interfaçage complet entre deux Mastère ASIG / Projet bibliographique

19 modules ou logiciels. Ainsi AutoDesk propose de réaliser nos modèles 3D dans son module AutoCAD Civil 3D pour les utiliser dans AutoCAD Map, ESRI propose un interfaçage entre ArcGIS 3D Analyst et le logiciel SketchUp et Star-Apic propose un interfaçage entre Apic et le logiciel SpacEyes3D. Figure 13 : Exemple issu de ArcGIS 3D Analyst (ESRI) 3.3 LES MODELES NUMERIQUES URBAINS EN 3D Les modèles numériques urbains tridimensionnels commencent à apparaître ces dernières années. Les collectivités territoriales en sont de plus en plus clientes, les utilisant notamment pour l aide à la décision lors de projets d aménagement. Ces modèles numériques urbains nécessitent un certain nombre de données et d outils logiciels indispensables à leur création, leur administration et leur utilisation. Ainsi certaines sociétés comme GeoData s est spécialisée dans le développement d une suite logicielle GeoGRID permettant d assurer ces fonctions en se greffant sur une architecture SIG 2D existantes. La première étape est la conception du modèle 3D urbain. Ce dernier s appuie sur les données géographiques 3D existantes. Il doit donc être conçu pour utiliser les mêmes lignes structurelles 3D que celles présentes dans les données disponibles (relief, limites administratives, bâtiments, etc.). Concernant les bâtiments, il est important de rattacher les objets appartenant à la même entité administrative (même unité foncière, même adresse ou même entité dans le SIG). Pour cela, il est nécessaire, si ce n est déjà fait, de leur affecter un même «identifiant» afin d assurer les interconnexions avec les bases de données. Ainsi un bâtiment représentera un ensemble d objets, chaque objet représentant une construction autonome architecturalement caractérisée par des lignes d avant-toit fermées. Mastère ASIG / Projet bibliographique

20 L administration du modèle 3D urbain passe par la définition de niveaux de détails (ou LoD pour Level of Details) pour chaque type d éléments (bâtiments, reliefs), LoD qui sont fonctions de la granulométrie des données géographiques utilisées mais également de la distance à laquelle sera vu chaque élément du décor. Ainsi pour un modèle urbain observé depuis une certaine altitude, un MNT à maillage large (25 à 50m) est suffisant. En vol rasant, il faudra prendre également en compte les bords et ruptures de terrain près des talus, les murs de soutènement, les berges, etc. Enfin, pour une visualisation en immersion, toutes les dénivellations de terrain de plus de 30cm devront être prises en compte (limites supérieures et inférieures de tout objet). L administration passe également par la possibilité de versionner la base de données (permettant ainsi la création de bâtiments futurs par exemple) ainsi que par la possibilité de mettre facilement à jour les données (lignes structurelles des objets projetables dans des orthophotos pour le contrôle des mises à jour). Enfin, l utilisation des modèles de bâtiments dans le logiciel SIG est assurée par une interface spécifique permettant l accès aux informations attributaires. Figure 14 : Exemple d interface SIG/CityGRID Les utilisations d un tel modèle 3D sont multiples : visualisation de la ville en 3D, étude de visibilité, réalisation de «masterplan» (plan d ensemble) ou base décision lors de projet d aménagement, modèle de base pour des concours d architectes (export de la base vers des logiciels de CAO), simulation 3D d environnement pour l information du public, etc. Mastère ASIG / Projet bibliographique

21 4 QUELQUES EXEMPLES DE PROJETS ACTUELS 4.1 EXEMPLES DE MODELES 3D URBAINS La ville du Havre Dès l an 2000, la ville du Havre s est investie dans la constitution d un modèle 3D urbain dont la création et la mise à jour a été confiée à son service Système d Information Géographique Urbain (SIGU). Ainsi MNT, bâtiments 3D texturés, mobiliers urbains et arbres issus de bibliothèques d objets et bosquets issus du MNE sont au rendez-vous dans ce modèle. Sa constitution est aujourd hui achevée et sa diffusion s effectue en interne via un intranet mais son ouverture vers le grand public est à l étude. Figure 15 : Maquette du futur outil web de visualisation du Havre 3D La modélisation des bâtiments a été effectuée suivant la méthode B-Rep par la double méthode de la restitution photogrammétrique et de l utilisation du MNE. Le contour du bâti et des faîtages est défini par la restitution puis le bâtiment est «monté» à une hauteur moyenne obtenue par le MNE. Ce même MNE, couplé à l orthophoto, permet enfin la vectorisation du profil de chaque toit, classé en : toit terrasse plat, toit multiplan ou élément de toit. Ceci afin de conserver une allure plus réaliste. Chaque toit et façade sont décomposés en faces planes élémentaires et les façades sont projetées à l aplomb des toits. L ensemble est enfin facetté pour être texturé via des photos aériennes et terrestres. Le Havre en 3D, c est donc : 60,3km² de territoire restitué (soit l intégralité des bâtiments de la ville), bâtiments pour un total de facettes de toits, 60% d entre eux texturés par des photos terrestres, arbres restitués sous la forme de points cotés dont la hauteur est connue. Mastère ASIG / Projet bibliographique

22 Le modèle 3D urbain du Havre trouve son utilité dans l aide à la décision et l information des citoyens, dans la planification en vue du réaménagement de quartiers, lors d implantations de transports publics tels que le tramway ou pour la simulation d installation de mobiliers urbains. En voici quelques exemples. Figure 16 : Simulation de la volumétrie d un plan de composition Figure 17 : Perspective à main levée contre simulation 3D pour un projet d immeuble Figure 18 : Simulation d embellissement de la rue de Paris avec des stores Mastère ASIG / Projet bibliographique

23 4.1.2 La ville de Vienne (Autriche) Le modèle 3D urbain de la ville de Vienne fut constitué à partir de 2003 par le Service Géodésique de la ville au moyen des outils CityGRID de la société GeoData. Il s appuie sur une classification en trois niveaux de détails en ce qui concerne les bâtiments (cf. figure ci-dessous). On compte ainsi sur ce modèle bâtiments de LoD 2 avec tous les détails de toitures, bâtiments de LoD 1 ainsi que 1,35km d installations souterraines du métropolitain. Figure 19 : Niveaux de détails du modèle 3D urbain de Vienne (Autriche) La création et la mise à jour des bâtiments du modèle est assurée par 2 à 3 personnes en moyenne et s effectue en continu en liaison avec celles des autres données topographiques de la ville. Ainsi chaque feuille cadastrale est contrôlée et mise à jour tous les 3 ans. Durant ces 3 ans, chaque modèle des bâtiments est en moyenne transmis six fois à un autre département ou à des utilisateurs privés. Comme évoqué précédemment, les utilisations d un tel modèle sont diverses. La première est la visualisation 3D de la ville, de manière à avoir une vue d ensemble de son territoire. Figure 20 : Modèle 3D urbain de la ville de Vienne (Autriche) Mastère ASIG / Projet bibliographique

24 Ce modèle 3D permet d effectuer des analyses spatiales 3D sur notamment l implantation de nouveaux bâtiments. Ainsi, pour l implantation de la Tour Kometgründe à Vienne, une étude de visibilité de l immeuble a été menée sur le centre-ville où les bâtiments sont à un niveau de représentation LoD2 ou supérieur. Il est alors possible de voir si des axes très fréquentés ou des sites touristiques sont impactés par la création de l immeuble. Figure 21 : Etude de visibilité pour l implantation de la Tour Kometgründe Il est possible également de prévoir le réaménagement d un quartier entier en modélisant les nouveaux bâtiments au sein du modèle 3D urbain existant afin de percevoir son impact sur l environnement dès le processus de planification. Ce modèle devient alors un formidable outil d aide à l information et à la décision. L exemple ci-dessous porte sur le «masterplan» de la gare centrale de Vienne. Figure 22 : Elaboration d un «masterplan» pour le développement urbain Mastère ASIG / Projet bibliographique

25 4.2 EXEMPLES DE PROJETS DE RECHERCHE Le «projet SIG4D» Il est difficile de parler d Information géographique 3D à l ENSG sans évoquer le «projet SIG4D» réalisé chaque année depuis 1998 par les étudiants du DESS double compétence AIST devenu le Master IASIG sous la tutelle du Professeur Bouillé. Ce projet de programmation, réalisé en Java 3D et sans aucun logiciel SIG, a pour but de mettre en pratique la méthodologie de montage d un SIG3D immersif. Sont ainsi pris en compte dans ce modèle : un MNT et l orthophoto correspondante, un ombre quelconque de réseaux de surface, aériens ou souterrains, un cadastre et son bâti ainsi que des photographies de mobiliers. Le terme «4D» est justifié à la fois par le fait de pouvoir se déplacer en immersion dans le modèle mais également et surtout par la possibilité d y intégrer des mobiles, leurs déplacements pouvant être synchronisés (ex : des trains). Ce modèle 3D repose sur une structuration faisant appel à un catalogue de structures préexistantes et à des composants géographiques à organiser. Elle s appuie sur le modèle HBDS (Hypergraph Based Data Structure, Bouillé, 1977) reposant lui-même sur six TAD (Type Abstrait de Données) persistants élémentaires que sont les classes (ensembles), les attributs de classe (propriétés), les liens entre classes (relations), les objets (éléments), les attributs d objet et les liens entre objets. Ces six TAD sont une base pour la constitution de structures plus complexes (hyperclasses, hyperliens, hyperattributs, embryons, prototypes) sur le principe de l auto-extensibilité. Tout composant de l «univers» (c est-à-dire le modèle 3D créé) est représenté par un TAD. On pourra utiliser également des prototypes (structures complexes de base constituées des six TAD élémentaires) tels que le prototype graphe ou le prototype réseau. Le projet est séquencé en mini-projets indépendants (ex : réseaux de surface, réseaux souterrains, insertion de bâtiments, programmation du vol tactique, etc.) lesquels sont regroupés au terme des six semaines sous une IHM générale dirigeant les IHM propres à chaque mini-projet, respectant une architecture multicouche et rendant ainsi le projet modulaire. Et les résultats obtenus surprennent d années en années Ce projet, repris depuis zéro chaque année, ne demande qu à inspirer les logiciels du commerce, notamment en ce qui concerne la gestion des intersections et superpositions de réseaux. Mastère ASIG / Projet bibliographique

26 Figure 23 : Résultats de travaux d étudiants Le projet Terra Magna Cap Digital Paris Région Cap Digital est le pôle de compétitivité des contenus numériques. C est l un des pôles créés depuis l appel à projets «pôles de compétitivité» du gouvernement Raffarin en novembre Anciennement IMVN pour Image, Multimédia et Vie Numérique, labellisé le 12 juillet 2005, il devint Cap Digital en Il compte aujourd hui 300 adhérents dont un certain nombre de PME (Petites et Moyennes Entreprises) qui représentent 80% des adhérents, une vingtaine de grandes entreprises leaders dans leur domaine, qui savent valoriser et fédérer les savoir-faire présents au sein du pôle, mais également de prestigieux laboratoires publics (universités, grandes écoles, centres de recherche) ainsi que des collectivités territoriales. Ses missions sont de différents ordres : Recherche et développement : il a une mission de prospection industrielle en identifiant les grands enjeux technologiques et les marchés de demain. Cela passe par des projets collaboratifs comme Terra Magna ou par des projets mono partenaires. Mastère ASIG / Projet bibliographique

27 Animation et structuration du réseau : il encourage le partage d expérience entre les différents acteurs de la communauté francilienne ainsi que la fertilisation croisée d innovations entre les six domaines du pôle. Il a également pour mission de structurer un secteur industriel en devenir (l ère du tout numérique) et aide les acteurs à obtenir des financements pour leur promotion à l international. Développement de société : il accompagne la croissance et le développement économique de ses adhérents. Stratégie internationale : il assure le rayonnement des compétences et des innovations en faisant la promotion du pôle et de ses acteurs, en construisant et développant des relations internationales fortes et en ouvrant aux adhérents l accès aux marchés et aux financements internationaux. Il est particulièrement présent en Europe, aux Etats-Unis et en Corée à Séoul (dans le domaine du jeu vidéo) Présentation du projet Littéralement «territoire augmenté», Terra Magna est un projet de R&D coopératif sur les secteurs de l information géographique 3Dpour les collectivités locales, des outils de simulation 3D d urbanisme et d aménagement du territoire, de la modélisation 3D des phénomènes physiques environnementaux, des services 3D en lignes pour les professionnels et les citoyens. Il fut lancé en 2007 à l initiative de Cap Digital Paris Région. Il a démarré début 2008 pour une période de 24 mois, et affiche un budget de 5,1M dont 2,3M proviennent de subventions. Le projet Terra Magna s inscrit dans la continuité du projet Terra Data, projet de R&D. Il doit ainsi mener à la valorisation des données 3D géoréférencées fournies par l IGN ou issues des modèles 3D structurés créés lors de la phase 1 du projet Terra Data (Terra Numerica) ou toute autre donnée 3D (DDE, géomètres, architectes, etc.) sans oublier pour autant les données 2D et 2D½ acquises ces vingt dernières années par l ensemble de la communauté SIG. Le consortium du projet réunit dix partenaires : 4 PME (STAR-APIC qui a la direction du projet, BIONATICS, SPACEYES et DRYADE), 1 grande entreprise (THALES), 5 établissements et laboratoires publics (IGN, CSTB, INRETS, ECP et CIRAD). Mastère ASIG / Projet bibliographique

28 Les enjeux de ce projet sont les suivants : Réflexion sur l uniformisation des informations géographiques 3D, sur leur stockage, sur la topologie, sur les outils d analyse des données (différents de ceux utilisés en 2D), ainsi que sur les modes d interactions avec les utilisateurs. Réflexion sur les viewer SIG 3D sur Internet dans le but d un partage de la donnée. Réflexion sur la simulation 3D temps réel. Réflexion sur la modélisation 3D ou 4D (dynamique) des phénomènes physiques liés à l environnement et relation (import/export des données) avec le SIG 3D. Ce projet est structuré en 4 lots fonctionnels suivants : Urbanisme et SIG 3D : gestion et fédération de bases de données 3D urbaines, piloté par STAR-APIC. Web Services 3D : services aux professionnels et aux particuliers, piloté par STAR-APIC. Aménagement urbain : simulation 3D pour l aide à la décision et la concertation, piloté par THALES. Environnement et développement durable : modélisation 3D pour l aide à la décision et la gestion des villes, piloté par BIONATICS. Ces lots sont encadrés par deux autres lots : Expression des besoins et ingénierie, piloté par STAR-APIC et IGN Expérimentation et retours d expériences, piloté collégialement Figure 24 : Organisation des lots du projet Terra Magna Mastère ASIG / Projet bibliographique

29 Les livrables de ce projet sont des documents de spécifications logicielles, d interfaces logicielles ainsi que des modules logiciels exécutables dans leur version bêta. De manière plus générale, ce projet devra conduire à la commercialisation à l horizon 2010 de solutions innovantes pour les collectivités locales, les agences d urbanisme et agences d environnement, les aménageurs publics et privés, les architectes, paysagistes et bureaux d étude, les prestataires en représentation 3D du territoire Les forces de ses acteurs Le projet Terra Magna bénéficie de la grande expérience des entreprises et organismes publics partenaires. Ainsi on peut citer : La technologie de STAR-APIC en matière d optimisation du stockage de données ainsi qu en matière de fédération et mutualisation des données géographiques, notamment avec sa solution innovante du «HUB GeoSpatial». Figure 25 : Principe de fonctionnement du HUB GeoSpatial de STAR-APIC L expérience de l IGN, notamment dans l acquisition de données 3D avec le projet Bâti3D qui consiste en la modélisation du tissu urbain. Celle-ci s effectue grâce à une prise de vue aérienne (5 caméras permettant de photographier verticalement et en oblique) qui permet via les méthodes photogrammétriques (et en s appuyant sur le cadastre) de reconstituer la structure et la texture des bâtiments ainsi que la forme des toits. Mastère ASIG / Projet bibliographique

30 Figure 26 : Exemple de bâtiments obtenus par Bâti3D La technologie de l entreprise BIONATICS dans la simulation 3D d environnement réaliste. Cette dernière modélise en effet de manière quasi parfaite l espace à partir de données SIG. Ainsi, il lui est possible de modéliser des sentiers, des routes, des cours d eau à partir de linéaires exportés depuis un SIG. Elle sait également appliquer des textures comme de l herbe par exemple, suite à la reconnaissance de végétation par photointerprétation automatique. Enfin, BIONATICS est spécialisée dans la modélisation de la végétation, simulant la pousse d espèces végétales et permettant ainsi d avoir des arbres de même type à différents stades de croissance, supprimant l impression de «copiercoller» propre aux bibliothèques d objets. Figure 27 : Exemples de paysages modélisés avec LandSim3D de Bionatics Mastère ASIG / Projet bibliographique

31 5 LA NORMALISATION DE L INFORMATION GEOGRAPHIQUE 3D La prise en compte croissante de la 3D par les logiciels SIG nécessite une normalisation de l information géographique tridimensionnelle afin de permettre les échanges de données. Cette normalisation doit porter à la fois sur la géométrie, la topologie et sur la nature de l objet. 5.1 LES NORMES OGC ET ISO Le format GML (Geographic Markup Language) permet de manipuler tous types d objets géographiques, les systèmes de coordonnées géodésiques, la géométrie, la topologie, le temps, les unités de mesure, et les valeurs associées. C est un format d échange de données vectorielles établi par l Open Geospatial Consortium (OGC), destiné à des mécanismes de transmission de nature client/serveur (format d échange utilisé par WMS et WFS notamment). GML est une solution techniquement intéressante grâce à : La modularité des schémas de données XML (fichier XSD) qui permet aux utilisateurs de ne renseigner que les champs correspondant à leurs besoins et non la totalité des champs existants. Un mécanisme de dictionnaire qui permet à GML d être indépendant du registre de codes d objets et d attributs ou encore du registre de codes et paramètres géodésiques utilisé. L International Organization for Standardization (ISO) a parallèlement établi, via son comité technique 211 pour la normalisation dans le domaine de l information géographique nommé ISO/TC 211, plusieurs normes rassemblées sous la codification ISO 191xx. Figure 28 : Panorama des normes ISO relatives à l information géographique Mastère ASIG / Projet bibliographique

32 La norme ISO 19107, publiée en 2003, spécifie un ensemble de schémas conceptuels permettant de décrire et manipuler les caractéristiques spatiales d un phénomène géographique en 3D. Elle permet la description des données vecteur regroupant l ensemble des primitives géométriques et topologiques utilisées, séparément ou dans le même jeu de données, pour définir des objets exprimant les caractéristiques spatiales d éléments géographiques. Cette définit également une classification des opérateurs spatiaux (fonctions permettant de manipuler, faire des requêtes, créer, modifier ou supprimer des objets spatiaux) afin de normaliser leur définition et leur implémentation. L OGC a adopté et recommandé la version de GML compatible ISO/TC 211. Parallèlement, le comité ISO/TC 211 étudie la validation de la norme ISO 19136, cette dernière correspondant à la recommandation OGC GML 3.2. On notera que l efficacité de l encodage de GML est cependant en décalage vis-à-vis de l approche ISO/TC 211 qui prône un mécanisme de déduction des schémas de données XML à partir des modèles UML (alors que les modèles UML fournis dans le documentation GML ne sont qu informatifs). 5.2 LE FORMAT CITYGML Lancée par un groupe d Allemands (GeoData Infrastructure North-Rhine Westphalia), cette initiative réunit plus de 70 entreprises, municipalités, laboratoires de recherche qui coopèrent au développement et à l exploitation commerciale de modèles 3D interopérables. La norme CityGML se donne comme objectif de représenter les objets urbains à trois dimensions. Elle définit ainsi les classes et les relations des objets trouvés dans les villes de plusieurs points de vue : géométrique, topologique, sémantique et d apparence. Le format CityGML est un modèle de données ouvert, basé sur le stockage et l échange de modèles 3D urbains, qui dérive directement du format GML. Cette représentation, qui se destine devenir un standard, a été accueillie comme une excellente proposition par l OGC en juillet Cette norme reconnaît des objets tels que les MNT sur lesquels seront posés les bâtiments, les ponts, les tunnels, les murs de soutènement, les rivières, mais aussi les routes, les Mastère ASIG / Projet bibliographique

33 voies de chemin de fer, les voies navigables, les réseaux de transports ou encore la végétation, le mobilier urbain, etc. Afin de permettre différents niveaux de modélisation, cinq LoD ont été définis et ce pour deux raisons totalement différentes : Le niveau de détail dépend de la précision à laquelle les données ont été acquises et stockées Cela permet de dégrader la représentation des objets urbains et des bâtiments les plus éloignés, limitant ainsi la quantité d informations à afficher. Figure 29 : Exemples de niveaux de détails de la norme CityGML Ces niveaux, illustrés sur la figure ci-dessus, sont les suivants : LoD 0 (Modèle régional) : ce niveau de représentation des bâtiments se limite à l affichage de l orthophoto plaquée sur un MNT ou un MNE. LoD 1 (Modèle urbain) : «modèle bloc» ou «boite à chaussures», les bâtiments sont schématisés sous forme de blocs sans structures de toit, donnant simplement une idée de la répartition de la hauteur des bâtiments. LoD 2 (Modèle urbain) : les bâtiments sont schématisés comme au LoD 1 à la différence qu on leur ajoute un profil de toiture ainsi qu une texture sur les façades et les toits. LoD 3 (Modèle urbain) : ce niveau est un LoD 2 pour lequel le détail architectural est plus poussé tant sur les façades que sur les éléments de toit. LoD 4 (Modèle intérieur) : ce niveau propose un modèle véritablement architectural «parcourable», avec un modèle de l intérieur du bâtiment. Mastère ASIG / Projet bibliographique

34 Ces différents niveaux de détails cohabitent dans une représentation de la ville, en fonction de la distance entre la scène et l observateur. Figure 30 : Intégration des niveaux de détails selon la distance On notera tout de même que les méthodes de stockage de la géométrie des objets présents dans les modèles 3D urbains sont influencées par les systèmes de gestion de bases de données (SGBD) tel que Oracle, avec sa cartouche spatiale, qui impose sa méthode de stockage comme un standard de fait, profitant de sa position de quasi monopole en matière de stockage de données 3D. Mastère ASIG / Projet bibliographique

35 CONCLUSION Le monde de l information géographique prend aujourd hui pleinement conscience de l enjeu que représente la troisième dimension. Les projets actuellement aboutis, généralement réalisés à l initiative de collectivités locales, sont hélas encore trop peu nombreux et restent au stade de prototypes. Cependant, les entreprises travaillent désormais main dans la main avec le monde de la recherche afin de réfléchir à ce que seront les normes et les logiciels SIG de demain. Il est important que tous les acteurs de la géomatique mettent leurs compétences en commun afin d être prêts à traiter correctement cette donnée 3D, dont l acquisition est de plus en plus importante et ce à un prix de plus en plus abordable. La révolution des SIG 3D est en marche Mastère ASIG / Projet bibliographique