Modélisation 3D d’une ville et représentation des nuisances

Aujourd’hui, les projets d’aménagement urbain ne peuvent plus ignorer le trafic, les nuisances sonores ou la pollution de l’air. Depuis les phases de conception, les nuisances urbaines doivent être connues, maîtrisées et intégrées dans les plans de développement des villes.

Les procédés

Plusieurs techniques de visualisation sont utilisées.

La prise de vue et la retouche d’image numérique

Sur la photo du site, le dessinateur trace à main levée le dessin de la perspective du projet et supprime les éléments existants à démolir. Il l’agrémente de textures et d’ombres pour en améliorer le réalisme.

La modélisation et la synthèse d’image

Sur le site modélisé en trois dimensions des images réalistes sont appliquées.

La modélisation 3D¹ permet la description géométrique des objets existants et futurs.

Enfin, l’habillage consiste d’abord à ajouter dans la scène les objets qui n’ont pas été modélisés (des arbres par exemple), puis à attribuer un matériau à chacun d’eux. Le matériau qualifie l’aspect de l’objet auquel est affectée une couleur² , voire une ou plusieurs textures³ . Enfin, bien souvent dans les projets, on retrouve les mêmes classes d’objets selon les domaines, par exemple en architecture, les huisseries, en aménagement, le mobilier urbain. Ces éléments peuvent être réunis dans des banques d’objets 3D auxquelles l’utilisateur fait appel.

L’éclairage joue un rôle fondamental dans l’impression de volume et de relief des objets. Pour illuminer une scène, il faut tenir compte : des sources lumineuses, de la position de l’observateur, de la propriété des surfaces et du comportement des rayons lumineux sur ces surfaces. Les logiciels calculent des vues en perspective du modèle, complétées et habillées par des fonctions de rendu pour produire des images. À l’instar d’un appareil photo, la position du point de vue est essentielle pour obtenir des images de qualité. Le choix du point de vue s’opère en déplaçant sa position avec le logiciel et en visualisant “en temps réel” les vues résultantes dont on peut sélectionner les plus significatives.

Le photomontage

En conjuguant les deux techniques précédentes, un projet calculé en synthèse d’images peut être inséré dans la photo du site. Pour calculer l’image du projet et la positionner dans la photo du site, il faut connaître la position de l’appareil photo, (coordonnées du point de vue et du point de visée), la focale utilisée, deux ou plusieurs points (en fonction de la précision souhaitée pour le calage) identifiables sur la photo du site et le modèle du projet. La modélisation se limite aux éléments du projet qui apparaîtront dans les photos choisies. Les points de repère sont également modélisés pour faciliter le calage. L’utilisation des points de repère communs aux deux images permet de caler le projet dans la photo du site et de fusionner ces deux éléments dans une même image. Afin d’effectuer cette opération, trois transformations sont possibles : une rotation, un changement d’échelle, un déplacement. Pour la réaliser avec précision, il faut connaître au moins deux points communs au site et au projet.

La modélisation et les animations pré-calculées

Les maquettes 3D permettent de réaliser des animations sous forme d’un film en images de synthèse. L’animation peut être réalisée dans l’esprit d’un survol du site avec une trajectoire complètement libre.Le but est de présenter une séquence d’images à une allure suffisamment rapide pour que l’observateur perçoive cette succession d’images isolées comme un mouvement continu.

Le vidéomontage

Une maquette du site en image de synthèse peut être incrustée dans une vidéo réelle. Chaque image de la vidéo doit être traitée comme un photomontage. En particulier, la recherche de la focale de l’image et la position de la caméra doivent être réalisées à chaque image de la vidéo : c’est le “vidéo-tracking”.

De nouvelles solutions de visualisation interactive en temps réel permettent de visualiser l’ensemble du site en se déplaçant avec une totale liberté à l’intérieur de la maquette comme dans un jeu vidéo. Cette navigation se fait à l’aide d’une souris et du clavier (ou même grâce à des périphériques spéciaux de type spacemouse).

Dunkerque

Un projet culturel

Pour favoriser le tourisme à Dunkerque et attirer les promeneurs vers le port de plaisance, la municipalité a décidé de procéder au réaménagement de la place du Minck et du quai des Hollandais. De façon a disposer d’un outil de communication efficace.

La conception du CD-Rom a nécessité trois étapes.

La première phase a consisté à récolter toutes les informations (plan masse, coupe, matériaux…) auprès des différents intervenants (cabinets d’architectes, géomètres, bureaux d’études…). Une campagne photographique conséquente a ensuite été réalisée sur le site de manière à restituer le plus fidèlement possible le site existant en 3D (plus de trois cents photos numériques et six pellicules de trente-six poses).

La deuxième phase de travail a consisté à modéliser l’ensemble du site et de ses aménagements 3D. Cette phase a mobilisé trois infographistes pendant quatre semaines. La localisation du projet en bordure du port a permis de reproduire des bateaux, des mouettes, et de rendre la scène aussi vivante que possible.

Au final, une vidéo, simule le parcours d’un automobiliste allant du quai des Hollandais au port de plaisance en passant par la place du Minck.

Les techniques de représentation des données

Les nuisances environnementales urbaines (trafic, bruit, pollution de l’air) peuvent être déterminées par des simulations souvent plus précises que les mesures réalisées sur le terrain et dans tous les cas bien plus souples et se prétant facilement à l’étude d’une multiplicité de cas.

Certains progiciels proposent des modèles de simulation basés sur un nombre important de paramètres : le relief, les espaces de végétation, les caractéristiques des sols, les facteurs météorologiques, les sources de pollution… Pour servir de véritable outil d’aide à la décision ou d’outil de communication, les résultats de ces simulations doivent être visualisés de façon réaliste et pédagogique.

Les nuisances peuvent être représentées graphiquement sous forme de zones colorées sur des images fixes 2D ou 3D ou bien des animations pré-calculées.

Il est possible de visualiser sous la forme d’une carte couleur 2D sur laquelle peut se superposer la maquette. Les résultats peuvent être enregistrés sous la forme d’une image géo-référencée et réintroduite dans un Système d’information géographique (SIG ArcView, Mapinfo ou autre).

Certains outils présentent les niveaux de concentration des divers polluants en tout point de l’espace. La visualisation est totalement interactive, l’opérateur peut se déplacer avec une totale liberté dans la maquette, zoomer sur des zones précises, connaître sa position et le niveau de pollution. Il est ainsi possible d’obtenir dans l’immédiat une représentation 3D d’un nuage ou d’un panache de pollution et d’en effectuer dynamiquement des coupes.

Les problèmes les plus ardus concernent la représentation graphique des scalaires et des vecteurs sous de nombreuses formes différentes.

Enfin, les traitements statistiques permettent de déterminer les ratios de population ou les zones géographiques exposées aux nuisances. Les données peuvent être présentées sous une forme graphique (histogrammes, camemberts, courbes…) ou dans un tableau (nombre d’habitants ou pourcentage de la zone géographique).

Paris

Une initiative municipale encourageante

Dans le cadre de son plan de lutte contre le bruit dans la capitale, la Ville de Paris a décidé de faire concevoir et réaliser un système informatique intégré permettant de dresser une cartographie dynamique du bruit en trois dimensions pour réaliser des simulations sonores.

En s’appuyant sur des technologies de simulation des nuisances sonores et de visualisation interactive en 3D), il sera possible de simuler les niveaux sonores en façade des bâtiments en fonction du trafic et de la géométrie 3D du bâti et ainsi de répondre à des questions du type : comment prévoir l’impact d’une limitation de vitesse plus stricte dans une rue ? la mise en place d’un sens unique ? un changement de revêtement de chaussée ?

Laurent ABED
Direction du marketing, CIRIA technologies