Cartographie 3D : Une première approche

Dans cet article, nous présentons plus en détail les deux grandes catégories de cartographie 3D.

La cartographie 2D et demi

Entre la cartographie conventionnelle et la 3D, on trouve une autre catégorie appelée cartographie 2D et demi ou pseudo 3D, dans laquelle pour un couple de valeurs (x,y), il n’existe qu’une seule valeur de z.

Les Modèles Numériques de Terrain ou MNT (en anglais DTM pour Digital Terrain Model) sont un bon exemple de cartographie 2D et demi. Ils permettent de représenter le sol à partir d’un nuage de points dont l’altitude est renseignée. Lorsque les bâtiments sont pris en compte dans la représentation, il s’agit alors d’un Modèle Numérique d’Elévation (MNE).

Ces modèles sont très utilisés pour faire des simulations d’écoulement des eaux et ce qui permet d’établir des scénarios d’inondation, ou de propagation de polluants. Ces modèles sont donc très utiles pour la gestion des risques, naturels ou technologiques, et sont par conséquent très utilisés par les personnes travaillant à l’aménagement du territoire.

La cartographie 3D

L’autre vision de la cartographie est celle basée sur de réelles données 3D, pour lesquelles on a plusieurs z pour un couple (x,y) donné. Ce point de vue nous a été introduit par Myriam Servières. L’utilisation d’un milieu tridimensionnel permet de diversifier les applications, mais complique grandement le traitement de l’information. C’est pourquoi les applications les plus répandues sont plus du domaine de la simple représentation graphique que d’une analyse poussée des modèles.

On peut aussi imaginer la troisième dimension dans un sens non géométrique : il peut s’agir du temps, ou d’une couche thématique.

Les modèles 3D d’un environnement urbain peuvent être classés en plusieurs catégories, selon l’échelle considérée. La norme CityGML, format standard de type XML conçu pour le stockage et l’échange de modèles virtuels de villes et de scènes en trois dimensions, précise 5 niveaux de détail de représentation (LOD : level of detail) (voir illustration) :

  • LOD0 : correspond à un MNT au niveau d’une région, d’une ville.
  • LOD1 : vue d’une ville ou d’un quartier, où tous les bâtiments sont des simples pavés.
  • LOD2 : plus adapté à un quartier, un ensemble de bâtiments. la structure des constructions est plus détaillée.
  • LOD3 : la structure des murs et des toits est plus précise, les fenêtres et les portes sont modélisées.
  • LOD4 : l’intérieur des bâtiments est modélisé.

Pour tous les niveaux, il est possible de texturer les modèles.

Les cinq niveaux de détail dans CityGML (source : IGG Uni Bonn), extrait de OGC-CityGML

Le choix du niveau de précision dépend des performances et des conditions d’utilisation du modèle.

Méthodes d’acquisition

Pour construire un modèle 3D, la méthode la plus utilisée est de partir d’un MNT et de le combiner avec des orthophotographies. Une orthophotographie est une image qui a été modifiée numériquement pour conserver la géométrie de l’objet photographié ; ainsi la valeur d’un angle calculé sur l’image correspondra à la valeur réelle de cet angle. Ces images sont souvent des images satellitaires ou des photographies de façade. On peut aussi utiliser les données 2D, telles que le cadastre, les bâtiments, arbres, et réseaux routiers. Ceci montre qu’il est possible, dans une certaine mesure, de réutiliser les informations d’un Système d’Information Géométrique 2D ou d’un modèle en pseudo 3D puis de l’enrichir pour créer un modèle 3D.
D’autre part, il est possible de modéliser directement les objets tridimensionnels à partir d’un nuage de points obtenu à l’aide d’un scanner 3D, ou par photogrammétrie en combinant des photographies prises à différents points de vue. Les SIG 3D permettent aussi l’ajout de structures manuellement, suivi de l’application de textures.

Les difficultés associées

L’acquisition des données 3D

  • L’utilisation d’un nuage de point demande beaucoup de travail par la suite, pour reconstruire les surfaces des bâtiments.
  • Il faut adapter le niveau de détail aux besoins associés à la cartographie. Le choix de la précision des structures peut évoluer dans le temps.

La structuration des données

  • Les diverses méthodes d’acquisition sont souvent combinées, ce qui nécessite de les intégrer dans un modèle unique.
  • Il ne suffit pas de stocker le nuage de points pour retrouver la structure des constructions. Les SIG 3D doivent garder en mémoire des surfaces, des volumes et des formes complexes comme des arches ou des trous.
  • On trouve de nombreux formats de stockage de données 3D. La norme CityGML établie en août 2008 est une solution qui a été apportée pour répondre à ce problème. Il existe un autre format standard : IFC (Industry Foundation Classes) qui est un format de fichier orienté objet utilisé pour l’échange et le partage d’informations entre logiciels.

Le traitement des données

  • La plupart du temps, les données à traiter sont très volumineuses. L’évolution des outils informatiques, qui a d’abord permis la création des SIG 3D, continue encore d’être un facteur majeur de leur évolution.
  • Il est plus difficile d’exploiter des données 3D, qui apportent un niveau de complexité supplémentaire dans l’analyse de l’information.

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