Visualisation 3D de données SIG le cas des grands territoires

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1 Visualisation 3D de données SIG le cas des grands territoires Session 3D Stéphane GOURGOUT : Vice Président Exécutif, Directeur Commercial Bionatics S.A. 325 avenue des Orchidées St Clément de Rivière Tel : Fax : Web : Courriel : info@bionatics.com Mots-clés, logiciels ESRI utilisés et publics visés Mots-clés : 3D, Paysage, Aménagement et Urbanisme, Parcs et Espaces Naturels, Forêt, Routes, Energies renouvelables, Développement rural, Archéologie, Etat et Collectivités Locales. Logiciels ESRI utilisés : ArcView Public visé : Tout public Identité de Bionatics Bionatics est un éditeur de logiciels proposant une nouvelle génération d outils permettant de modéliser automatiquement en 3D des territoires urbains et ruraux à partir de données SIG et de visualiser leur évolution au cours du temps. Les logiciels Bionatics sont utilisés dans tous les secteurs publiques et privés travaillant sur les problématiques de préservation de sites naturels (valorisation de sites naturels ou de territoires, étude de trames vertes, trames bleues, gestion forestière, extraction minière, stockage de déchets, SCOTT ) ou d aménagement durable de sites urbains, péri-urbains ou ruraux (aménagement et rénovation urbaine, schémas directeurs, PLU, aménagement routier et ferroviaire, transport d énergie, développement d infrastructures touristiques ). Constatant la limite des outils traditionnels 3D face aux besoins des professionnels de l aménagement du territoire, Bionatics a lancé en 2001, le projet LandSIM3D. Depuis 10 ans, Bionatics travaille ainsi avec les professionnels de l aménagement du territoire et étudie leurs modes de travail et de collaboration pour leur proposer un outil 3D adapté à leurs besoins métier qui déboucha en 2007 sur la sortie du logiciel LandSIM3D. Ce logiciel permet ainsi aux géomaticiens des produire automatiquement des maquettes 3D de leur territoire à partir d ArcGIS avec lequel ils pourront interagir pour traiter en 3D les problématiques d analyse et d étude spatiale d un territoire. 1. La maquette 3D : un outil d aide à la décision stratégique pour le territoire La simulation 3D devient un outil indispensable des prises de décisions stratégiques en terme d aménagement durable du territoire. Elle n est plus seulement réservée à des besoins de présentation séduisante d un projet. Visualiser un grand territoire complexe en 3D nous permet de mieux observer ce qui est difficilement lisible sur un plan 2D. Elle permet d interpréter les impacts d un aménagement, de vérifier de multitudes hypothèses ou variantes et de mieux partager la vision de chacun sur le projet ouvrant ainsi les perspectives d une concertation harmonieuse et dénuée de malentendus. En ce sens, elle permet de comprendre et mieux se comprendre. Encore faut-il que l accès ou la mise en œuvre de cette 3D soit simple, abordable et qu elle corresponde aux spécificités des métiers de l aménagement ou de la préservation du territoire. Pour Bionatics, la maquette 3D territoriale doit être facile et rapide à réaliser à grande échelle et offrir un ensemble de fonctions et de services correspondant aux besoins des professionnels de l aménagement et de la préservation du territoire leur permettant de réaliser des analyses et des diagnostiques rapides et de vérifier simplement leurs hypothèses d aménagement :

2 - Elle doit être facile et rapide à obtenir sans nécessité d expertise 3D en s inscrivant dans la logique de fonctionnement naturel de produits de gestion de données géographiques comme ArcGIS. - Elle doit permettre les mouvements d échelle nécessaires à l analyse et à l étude sans restriction de qualité qui nuirait au confort et à la précision de l étude. - Les niveaux de détails ne doivent pas se limiter aux contraintes physiques d une machine. 2. Réponses de LandSIM3D aux limites traditionnelles des maquettes 3D de paysages. 1. Les maquettes 3D traditionnelles sont trop souvent déconnectées de l information géographique ce qui diminue fortement leurs usages et leur pérennité dans le temps. Pour palier à cela, LandSIM3D ne stock pas sa scène sous la forme d une géométrie 3D maillée mais fabrique sa visualisation 3D directement à partir de l'information géographique source délivrée par AcrGIS et que le logiciel interprète en temps réel. La donnée géographique reste donc disponible et modifiable en permanence dans la vue 3D. 2. Les principaux outils 3D du marché utilisent des technologies polygonales classiques qui restreignent le niveau de précision et de réalisme de la maquette à la quantité de triangles qu ils sont capables de charger en mémoire. Cela limite considérablement les possibilités de visualisation détaillées de grands territoires, qu ils soient urbains ou ruraux. Les maquettes sont donc souvent réduites à de petits modèles relativement pauvres en information 3D. Pour offrir des capacités de visualisation détaillée à très grande échelle, LandSIM3D utilise une approche innovante dite "procédurale" lui permettant de ne considérer la scène 3D qu à partir des données vecteurs d AcrGIS. Il ne reconstruit les polygones que lors de la phase d affichage 3D. Cette approche permet de ne pas stocker les polygones pré-calculés et ne concentrer que tous les polygones générés dans le cône d observation. Cette approche permet une visualisation 3D hyperréaliste des terrains à très grande échelle et en temps réel. 3. La plupart des outils 3D sont souvent réservés à des ingénieurs spécialisés ou à des experts de l infographie. Ils ont été développés avant tout pour servir les besoins des industries du film, des jeux vidéo ou de la simulation industrielle. Leur mise en œuvre est donc lourde et complexe, ce qui nécessite de faire appel à des prestataires spécialisés de manière répétitive. LandSIM3D est un progiciel conçu pour permettre à des géomaticiens, non spécialistes d'infographie et d'imagerie 3D, de pouvoir utiliser la représentation et la simulation 3D quotidiennement en continuité de leur SIG ArcGIS. LandSIM3D met pour cela en œuvre une interface très conviviale avec un mode opératoire très proche d un outil comme ArcGIS. Une simple formation de 3 jours est nécessaire pour le prendre en main. 4. La dimension temporelle du territoire, bien qu elle soit au cœur des préoccupations des aménageurs, n est pas supportée par ces outils et les maquettes 3D classiques ne peuvent ainsi pas rendre compte de cette dimension avec simplicité. - LandSIM3D intègre une gestion du temps exploitable à partir des données attributaires, ce qui d'une part permet de dater un projet et de pouvoir en visualiser les différentes étapes, mais également de les faire "vieillir" en simulant la croissance de la végétation ajoutée pour améliorer l'intégration du projet au site existant. Pour ce faire, LandSIM3D intègre une technologie de simulation de croissance de la végétation développée en collaboration avec le CIRAD, centre de recherche français spécialisé en agronomie et botanique.

3 3. Produire une maquette 3D de grand territoire à avec LandSIM3D à partir d'arcview LandSIM3D modélise un site à partir de couches d informations géographiques décrivant la cartographie, la topographie et l altimétrie d un terrain. Ces informations sont recueillies sous forme de données sources de type cartographiques (rasters ou vecteurs), d images de type ortho photos géo référencées et également des fichiers de points altimétriques (x, y, y) décrivant le relief du terrain. Les différentes couches d informations sont ensuite corrélées entres elles pour être assemblées dans un référentiel géographique commun. LandSIM3D crée ainsi une maquette 3D unique du site reconstruit à l identique. Elle est dynamique et géo référencée. Grâce à LandSIM3D, le paysage peut ainsi être modélisé sur des bases précises en quelques heures seulement. Le logiciel offre aux experts du paysage et du territoire un socle d étude et d analyse fiable dans lequel ils pourront venir y insérer leurs projets. LandSIM3D construit automatiquement l ensemble du contenu à partir de l interprétation des données qui lui sont fournies : Le terrain est modélisé par LandSIM3D à partir de fichiers de points de type ASCII. Le réseau routier est reconstruit automatiquement en 3D selon des lois de calcul procédural et selon les informations fournies par les cartes numériques utilisées dans ArcGIS. Les routes, les voies ferrées, les lignes à haute tension comme les rivières ou les fleuves sont intégrées naturellement au terrain. LandSIM3D simule également les intersections avec réalisme. Les architectures peuvent également être simulées en 3D sous forme de volumes texturés à partir des empreintes des bâtiments stockées dans ArcGIS. Les toits sont simulés selon la nature du bâtiment à l aide de données attributaires. Les architectures ou les ouvrages remarquables modélisés spécifiquement par des logiciels tiers peuvent être importés et insérés précisément dans la maquette du site. La végétation est fondamentale dans le réalisme d un paysage. Elle est simulée en 3D et distribuée selon des lois de calcul procédural à partir de cartes d occupation des sols et selon des biotopes géo spécifiques correspondant à la zone géographique et l éco système du site. Ces biotopes sont paramétrables à volonté par l utilisateur. Les saisons et l âge des plantes peuvent être choisies. N importe quel type de paysage peut ainsi être reconstitué avec fidélité.

4 LandSIM3D simule les réseaux et les voies de transports qu ils soient routiers, ferroviaires ou fluviaux. Grâce à son moteur 3D procédural, une route peut être intégrée au terrain existant à partir de données vecteurs stockées dans ArcGIS. Les déblaies et les remblais sont simulés automatiquement et la route s intègre parfaitement quelque soit le terrain existant : plat, accidenté ou en pente. Les routes peuvent être modélisées dans LandSIM3D selon plusieurs modèles conceptuels : - Les Routes «Géo typiques»sontgénérés procéduralement à partir de leur tracé 2D ou 3D vectoriel au sol ou grâce à l interprétation des données ArcGIS au format «.shp». L emprise et le profil d une route sont modélisés automatiquement en fonction de leurs attributs. Une route communale va donc avoir un profil différent d une route départementale. Une texture peut être également appliquée automatiquement pour simuler la chaussée et son marquage au sol. - Les Routes «Géo spécifiques» sont importées de logiciels de modélisation ou de CAO classiques avec leurs textures. Elles peuvent être totalement intégrées au relief naturel du terrain. Elles sont en générale géo référencées. Elles proviennent souvent dans ce cas d une étude en génie civile qui fait l objet d une modélisation précise du projet d infrastructure (route, pont ). La souplesse d intégration offerte par LandSIM3D permet de l utiliser dès les phases d étude des variantes d un projet en permettant de visualiser immédiatement plusieurs options de tracé d une nouvelle route dans le paysage existant par exemple. Ces tracés peuvent être réalisés directement sous forme vectorielle dans LandSIM3D. Ils peuvent également être importés aux formats DXF ou Shape file. Le terrain peut ensuite être contraint à la route ou la route peut venir s intégrer naturellement au terrain selon les choix de l opérateur.

5 LandSIM3D modélise automatiquement les bâtiments sous forme volume à partir de leur empreinte au sol et de leurs informations de hauteur. Les toits et les texture sont également reconstitués selon la nature du bâtiment : maison de village, usine, bâtiment administratif, école, commerce etc. Il est ainsi possible de reconstruire automatiquement une ville entière ou les villages dispersés d un paysage de campagne. Les architectures spécifiques telles que les églises ou les ponts remarquables peuvent être modélisés dans un logiciel tiers et importés dans LandSIM3D avec leurs textures aux formats DXF ou 3ds ou Google Sketshup. Il existe ainsi pour les bâtiments plusieurs modèles conceptuels : - Les bâtiments «Géo Typiques» sontgénérés procéduralement à partir de leur empreinte vectorielle au sol ou grâce à l interprétation de données sources type BD Topo IGN, par exemple. Leur forme reste des volumes simples. Ces formes volumiques sont soit texturées automatiquement en fonction de la nature du bâtiment ou laissées de couleur uniforme au choix. - Les bâtiments «3D Externes» sont importés de logiciels de modélisation ou de CAO classiques avec leurs textures. Ils peuvent être posés et dispersés sur le relief naturel du terrain. - Les bâtiments «Géo spécifiques» sont importés de logiciels de modélisation ou de CAO classiques avec leurs textures. Ils sont posés et positionnés précisément sur le terrain et totalement intégrées au relief naturel du terrain. LandSIM3D peut également être utilisé à des fins de maquettage volumique d'une nouvelle zone urbaine par exemple grâce à ses capacités de modélisation automatique de bâtiments. Un simple plan d'empreintes au sol et les hauteurs de chaque bâtiment suffit à modéliser et visualiser rapidement un nouvel aménagement urbain dans ses volumes principaux.

6 Le moteur procédural de LandSIM3D permet également d'opérer facilement des jointures naturelles et automatiques entre le projet et le terrain existant. Le terrain peut être contraint par les architectures ou ces dernières peuvent venir s'intégrer dans le terrain existant selon les choix de l'opérateur. L'intégration de ces projets dans le paysage se fait de manière manuelle ou géo référencé. LandSIM3D inclut une notion d'échelle du temps lui permettant de visualiser ainsi les transformations d'un paysage, d'un projet ou d'un chantier au cour du temps. L'opérateur peut ainsi se projeter dans le temps par une simple manipulation du curseur temps et visualiser ainsi les différentes phases d'un projet par exemple ou l'évolution d'un parc paysager en fonction des saisons ou après 20 ans. Un outil précieux pour expliquer les phasages complexes de l'exploitation d'une carrière ciel ouvert par exemple ou d'un grand chantier. La végétation est modélisée procéduralement par LandSIM3D en fonctions de cartes d occupation des sols. Ces cartes font coexister des Biotopes intégrant une certaine variété de plantes distribués par espèces. Elles peuvent être importées sous forme de données vecteurs ou raster. Les distributions peuvent se faire de manière aléatoire ou géométrique et par zone ou en alignement. La végétation peut également être positionnée de manière précise par l opérateur selon un projet ou un plan paysagé. LandSIM3D offre une totale liberté de mouvement autour de la maquette du site et dans le projet lui-même avec réalisme. Son moteur 3D procédural n'affiche que ce qui est vu par l'observateur en temps réel ce qui permet de visualiser de larges zones sans dégradation de la qualité. Il n'est pas besoin de disposer de machines ultra performantes car LandSIM3D adapte automatiquement son affichage aux performances de la machine sur laquelle le projet est visualisé. A tout moment, l'utilisateur peut également choisir une vue et demander à LandSIM3D d'exécuter son calcul en haute définition. La visualisation temps réel proposée par LandSIM3D offre un réel confort d'étude du paysage à grande échelle. Elle permet également lors des réunions de pilotage de faciliter l'étude et la validation du projet par les experts. Enfin, lors des réunions publiques ou de concertation, la simulation temps réel permet à chaque citoyen de visualiser avec précision l'impact du projet selon une vue choisie en toute liberté. Bionatics illustrera sa présentation de projets réels à l aide de maquettes 3D réalisées par des clients équipés ArcGIS et LandSIM3D. ESRI France 2009