SIG 3D - Analyser ses données en 3D (4/5)
Je poursuis ma série d'articles consacrés à l'utilisation de la 3D dans un SIG. Après avoir évoqué les différents modèles de données 3D et les outils de conception 3D, je vous propose aujourd'hui de passer en revue les principales fonctionnalités d'analyse spatiale que l'on peut attendre d'un véritable SIG 3D. Comme pour les articles précédents, je vous proposerai en même temps de voir comment ces fonctionnalités sont implémentées dans ArcGIS.
Analyses de profils
Parmi les analyses de base pouvant être faite sur des données 3D, il y a tout d'abord la capacité à générer des profils. Qu'il s'agisse d'analyser un MNT seul , un MNT avec d'autres couches 3D ou un MNE, un SIG 3D doit pouvoir permettre de dessiner une polyligne et de générer le profile des altitudes le long de cette géométrie. Dans ArcGIS cette fonctionnalité est assurée par cet outil de la barre d'outils de l'extension 3D Analyst, si vous souhaitez le faire interactivement en dessinant la polyligne sur la carte.
Vous pouvez également utiliser l'outil de géotraitement "Profil de pile" qui vous permettra de spécifier une classe d'entités contenant une ou plusieurs entités linéaires afin de générer vos profils. L'outil permet de prendre en compte plusieurs couches 3D (MNT, MNE, couches de multipatch, ...).
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| Calculer un diagramme de profils avec ArcGIS |
Calculs de volumes
Un SIG 3D doit également permettre la comparaison de différentes surfaces (MNT, MNE, ...) entre différentes dates. En particulier, il peut s'avérer nécessaire de quantifier les différences de volumes entre plusieurs surfaces. Pour cela, l'extension "3D Analyst" propose l'outil de géotraitement "Remblais/Déblais" qui, à partir de deux surfaces rasters, calcule les surfaces et les volumes des zones en remblais (dépôts) ou en déblais (érosion).
Analyses du relief
Un SIG 3D permet de gérer des surfaces correspondant au modelé du terrain (on parle alors de MNT) en intégrant (éventuellement) les objets positionnés sur cette surface (on parlera alors de MNE). Dans les 2 cas, le SIG permet de calculer des informations dérivées directement des altitudes comme par exemple: les pentes, l'exposition des pentes, les lignes de crête, les lignes de talweg, les lignes de plus grande pentes, les courbures de pente, les courbe de niveau...
Toutes ces données dérivées peuvent être générées dans ArcGIS à l'aide des outils de géotraitement de la boîte à outils "Raster - Surface". Cette dernière est disponible avec l'extension "3D Analyst" ou "Spatial Analyst".
Analyses hydrologiques
Dans certains domaines plus particulier comme l'hydrologie, le SIG peut proposer des fonctionnalités plus spécifiques pour exploiter des surfaces 3D. Par exemple, certains SIG 3D permettent des analyses avancées comme: la délimitation d'un bassin versant à partir d'un exutoire, le tracé théorique du réseau hydrographique, les directions des écoulements au sol ou encore calculer les quantités d'accumulation d'eau en tout point d'un bassin versant en prenant en compte les apports et la perméabilité des sols.
Dans ArcGIS, vous disposerez d'une boîte à outils "Hydrologie" qui vous permettra de réaliser ces analyses hydrologiques. Elle nécessite l'extension "3D Analyst" ou "Spatial Analyst".
Analyses sur des rasters
La 3D dans un SIG ne se résume pas uniquement à la modélisation de contextes urbains pour des problématiques d'aménagement ou de gestion d'infrastructures. En effet, dans le vaste domaine des sciences de la terre (hydrographie, météorologie, climatologie, géologie, océanographie, foresterie, énergies renouvelables, ...), l'usage de la 3D apporte des potentiels d'analyse intéressant que ne permet pas une approche uniquement 2D.
Au delà des fonctionnalités spécifiques à l'analyse des surfaces que l'on vient d'évoquer ci-dessus, les données 3D (les TIN, les Terrains, les couches d'entités 3D, les couches de Multipatch,...) peuvent être combinées très facilement à d'autres données (2D ou 3D) du SIG en les utilisant en tant que couche raster. Vous accédez alors à l'univers quasi-infini des fonctionnalités de croisement et de calculs entre différentes couches en utilisant les opérateurs d'algèbre d'image (mathématiques, statistiques, conditionnels, ...). C'est ce qu'offre la calculatrice raster dans ArcGIS en permettant par exemple:
- de calculer des statistiques d'élévation mini, maxi et moyenne sur chaque emprise de bâtiment,
- de calculer la pente moyenne sur chaque parcelle d'une exploitation agricole,
- de calculer les contours d'une zone de crue en croisant le MNT avec une couche de niveau des eaux,
- d'intégrer dans un MNT les hauteurs des bâtiments pour construire un MNE,
- de combiner la couches des pentes, la couche de végétation et la couche des sols pour déterminer les risques d'érosion
On notera que l'utilisation des opérations d'algèbre d'image avec la calculatrice raster nécessite l'extension "Spatial Analyst". Pour connaître les outils de géotraitement disponibles avec "Spatial Analyst" et/ou "3D Analyst", vous pouvez consulter le tableau suivant.
Analyses hydrologiques
Dans certains domaines plus particulier comme l'hydrologie, le SIG peut proposer des fonctionnalités plus spécifiques pour exploiter des surfaces 3D. Par exemple, certains SIG 3D permettent des analyses avancées comme: la délimitation d'un bassin versant à partir d'un exutoire, le tracé théorique du réseau hydrographique, les directions des écoulements au sol ou encore calculer les quantités d'accumulation d'eau en tout point d'un bassin versant en prenant en compte les apports et la perméabilité des sols.
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| Exemple de calcul de bassin versant avec ArcGIS |
Analyses sur des rasters
La 3D dans un SIG ne se résume pas uniquement à la modélisation de contextes urbains pour des problématiques d'aménagement ou de gestion d'infrastructures. En effet, dans le vaste domaine des sciences de la terre (hydrographie, météorologie, climatologie, géologie, océanographie, foresterie, énergies renouvelables, ...), l'usage de la 3D apporte des potentiels d'analyse intéressant que ne permet pas une approche uniquement 2D.
Au delà des fonctionnalités spécifiques à l'analyse des surfaces que l'on vient d'évoquer ci-dessus, les données 3D (les TIN, les Terrains, les couches d'entités 3D, les couches de Multipatch,...) peuvent être combinées très facilement à d'autres données (2D ou 3D) du SIG en les utilisant en tant que couche raster. Vous accédez alors à l'univers quasi-infini des fonctionnalités de croisement et de calculs entre différentes couches en utilisant les opérateurs d'algèbre d'image (mathématiques, statistiques, conditionnels, ...). C'est ce qu'offre la calculatrice raster dans ArcGIS en permettant par exemple:
- de calculer des statistiques d'élévation mini, maxi et moyenne sur chaque emprise de bâtiment,
- de calculer la pente moyenne sur chaque parcelle d'une exploitation agricole,
- de calculer les contours d'une zone de crue en croisant le MNT avec une couche de niveau des eaux,
- d'intégrer dans un MNT les hauteurs des bâtiments pour construire un MNE,
- de combiner la couches des pentes, la couche de végétation et la couche des sols pour déterminer les risques d'érosion
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Exemple d'analyse de risque d'incendie combinant des données 3D d'altimétrie et de pentes avec d'autres données thématiques du SIG (type de végétation, vents dominants, ...) |
Opérateurs spatiaux 3D
Un des points clés d'un SIG classique (2D) est sa capacité à proposer des opérateurs spatiaux permettant d'analyser les relations de proximité, d'inclusion, d'adjacence, de distance ... entre les entités de différentes couches du SIG. Un SIG 3D doit permettre de faire exactement la même chose mais avec des entités 3D (points, lignes et polygones) ou des entités de type multipatch (ayant un volume).
- de savoir si une conduite traverse une strate spécifique du sous-sol.
- de savoir si une école se trouve à l'intérieur du cône de propagation d'une pollution.
- de savoir si de bâtiments se trouvent entièrement ou pas dans des volumes réglementaires de construction.
- de calculer l'intersection 3D entre l'espace de couverture d'une caméra de vidéo-surveillance et les points d'entrée/sortie des bâtiments surveillés.
- de calculer l'union 3D de deux bâtiments pour ne former qu'une seule entité.
Visibilité / Intervisibilité
De nombreuses applications, pour des problématiques liées à l'aménagement ou à la sécurité, nécessitent de pouvoir calculer l'intervisibilité entre différents objets. Il s'agit, là encore, d'une capacité typique d'un SIG 3D car la notion de visibilité entre un objet A et un objet B implique l'exploitation d'opérateurs spatiaux 3D. Par exemple, le SIG sera capable d'analyser l'intersection (ou pas) d'obstacles avec une ligne de visée partant d'un point d'observation et allant vers un point cible.
Ci-dessous, un exemple de calcul de zones de visibilité depuis une tour de surveillance contre les incendies. Les zones en rouge ne sont pas visibles depuis la tour alors que les zones en vert sont visibles. En simulant une hauteur de tour plus importante, le SIG permettra recalculer les gains sur la nouvelle superficie de forêt observable depuis cette tour.
Ci-dessous, un exemple d'analyse montrant la visibilité d'une antenne télécom, depuis différents points dans un parc à Besançon.
Ci-dessous un autre exemple (dans le centre de Brest) où l'on a analysé la visibilité d'un projet d'aménagement (matérialisé par 6 points hauts) depuis les principaux axes de circulation de l'agglomération. Les lignes vertes représentent les lignes de visée depuis lesquels au moins un de 6 points des futurs bâtiments est visible.
Une autre application de ces capacités de calculs de visibilités consiste à générer des lignes d'horizon. C'est dernière indiquent dans toutes les directions, depuis un point d'observation, les barrières entre ce point et l'horizon. Cette notion de lignes d'horizon est souvent utilisée dans le cadre d'études d'urbanisme et d'aménagement paysager.
Dans ArcGIS, les utilisateurs disposant de l'extension "3D Analyst" trouveront une série d'outils de géotraitement dans la boîte à outils "Visibilité".
Rayonnement solaire
Une autre problématique intéressante pouvant être adressée par un SIG 3D concerne l'analyse des rayonnements solaires. Dépendant de la surface du terrain, de la pente et du contexte des objets présents localement, le calcul du rayonnement solaire fait appel à des données et des algorithmes 3D. En combinant les rayonnements diffus, directs et indirects le SIG permet de calculer la quantité d'énergie reçue en un point et à une date/heure donnés.
Dans ArcGIS (avec l'extension "Spatial Analyst"), des outils dédiés au calcul des rayonnements solaires sont disponibles. Vous les trouverez dans la boîte à outils "Rayonnement solaire". Une fois le(s) raster(s) de potentiel solaire calculé(s), vous pourrez facilement les représenter en 2D ou en 3D comme ci-dessous.
Calculs d'ombres portées
En lien avec les capacités de modélisation des rayonnements solaires, un SIG 3D peut également répondre aux problématiques d'analyse d'ombres portées. L'idée est de pouvoir générer les volumes (entités multipatch) correspondant à la zone d'ombre provoquée par un ou plusieurs objets 3D (entités multipatch) pour une date/heure donnée.
Une autre problématique intéressante pouvant être adressée par un SIG 3D concerne l'analyse des rayonnements solaires. Dépendant de la surface du terrain, de la pente et du contexte des objets présents localement, le calcul du rayonnement solaire fait appel à des données et des algorithmes 3D. En combinant les rayonnements diffus, directs et indirects le SIG permet de calculer la quantité d'énergie reçue en un point et à une date/heure donnés.
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| Cartographie du potentiel solaire dans une application web 3D ArcGIS |
En lien avec les capacités de modélisation des rayonnements solaires, un SIG 3D peut également répondre aux problématiques d'analyse d'ombres portées. L'idée est de pouvoir générer les volumes (entités multipatch) correspondant à la zone d'ombre provoquée par un ou plusieurs objets 3D (entités multipatch) pour une date/heure donnée.
Calculées à différentes dates de l'année ou différentes heures de la journée, ces ombres portées peuvent ensuite être croisées et intersectées avec d'autres entités du SIG comme les facades des bâtiments voisins.
Dans ArcGIS, l'outil de géotraitement "Volume d'ombre du soleil" permet de réaliser ce type de calcul.
Calculs d'itinéraires 3D
Un SIG est capable de modéliser un réseau de transport modal ou multi-modal avec les contraintes de déplacement (vitesses, arrêts, sens de circulation, trafic, ...), généralement en 2D. Une fois ce réseau modélisé, il permet ensuite de réaliser des calculs d'itinéraires optimisés entre un point de départ et un point d'arrivée. Un véritable SIG 3D sera capable d'offrir le même type de modélisation en 3D. Par exemple, dans un bâtiment ou une infrastructure multi-niveaux (une gare, un centre commercial, un campus, un hôpital...), il sera possible de modéliser les différents cheminements en 3D (couloirs, escaliers, ascenseurs, ...) pour optimiser les déplacements.
Un SIG est capable de modéliser un réseau de transport modal ou multi-modal avec les contraintes de déplacement (vitesses, arrêts, sens de circulation, trafic, ...), généralement en 2D. Une fois ce réseau modélisé, il permet ensuite de réaliser des calculs d'itinéraires optimisés entre un point de départ et un point d'arrivée. Un véritable SIG 3D sera capable d'offrir le même type de modélisation en 3D. Par exemple, dans un bâtiment ou une infrastructure multi-niveaux (une gare, un centre commercial, un campus, un hôpital...), il sera possible de modéliser les différents cheminements en 3D (couloirs, escaliers, ascenseurs, ...) pour optimiser les déplacements.
Ci-dessous un exemple de calcul d'itinéraire entre un bureau et la sortie de secours la plus proche.
Dans ArcGIS, c'est l'extension "Network Analyst" qui permet de réaliser ce type de modélisation et de traitement. L'extension supporte aussi bien les réseaux 2D ou 3D selon les données sources dont vous disposez. Cette page de l'aide en ligne d'ArcGIS donne quelques exemples.
Conclusion
A travers cet article, j'ai essayé de vous montrer quelques exemples d'analyses que l'on peut attendre d'un SIG 3D. La liste est loin d'être complète mais vous aurez constaté la richesse et la diversité des outils que propose la plateforme ArcGIS. Pour Esri, la gestion de données en 3D dans un SIG doit certes permettre une visualisation et une exploration de ces données en 3D mais il est également primordial de pouvoir les exploiter à travers une large palette d'outils d'analyse 3D. Dans le dernier article de cette série, nous verrons comment un SIG 3D permet le partage et la diffusion des données 3D.
A travers cet article, j'ai essayé de vous montrer quelques exemples d'analyses que l'on peut attendre d'un SIG 3D. La liste est loin d'être complète mais vous aurez constaté la richesse et la diversité des outils que propose la plateforme ArcGIS. Pour Esri, la gestion de données en 3D dans un SIG doit certes permettre une visualisation et une exploration de ces données en 3D mais il est également primordial de pouvoir les exploiter à travers une large palette d'outils d'analyse 3D. Dans le dernier article de cette série, nous verrons comment un SIG 3D permet le partage et la diffusion des données 3D.
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