ETUDE DE LA CONCEPTION D’UNE CHAINE … · 1 MASTER II de Sciences et Technologies, Mention :...

MASTER II de Sciences et Techno Mention : Sciences de l’Univers, Ecologie,Spécialité : Environnements Continentaux

Parcours : Télédétection Appliquée aux ProblèmUniversité Paris VI, Pierre et Marie

4 place Jussieu, 75252 Paris ced

NU475 Stage de recherche, Rapport

ETUDE DE LA CONCEPTION D’UNE CHAIRESTITUTION 3D DE SITES À PARTIR D’IM

Commissariat à l’Energie AtomiqueDépartement d’Analyse et Surveillance de l’

Laboratoire Détection GéophysiTélédétection et Surveillance de l’Environ

Mylene BUSSY

2005

ENCADREMENT : Responsable de stage au CEA : Philippe CARRIE, Responsable du laboratoire de TSE. Eric HELIES. Christine LAFFITTE. Renaud BINET. Philippe GRONDIN. Eric THAUVIN. Responsables universitaires : Bertrand MEYER. Jean CHOROWICZ, laboratoire de tectonique. Date de soutenance : 03/10/05

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logies, Environnement, et Hydrosciences

es d’Environnement. Curie. ex 05

de stage.

NE OPERATOIRE DE AGES SATELLITES.

(CEA), Environnement, que, nement (TSE)

3

PLAN

INTRODUCTION ....................................................................................................................................................... 5

1 PRESENTATION DU CEA ET DE SES BESOINS. ........................................................................................... 7

1.1 PRESENTATION DU CEA ET DU LABORATOIRE TSE. ............................................................................. 7 1.1.1 LE COMMISSARIAT A L’ENERGIE ATOMIQUE. ................................................................................... 7 1.1.2 LE LABORATOIRE DE TELEDETECTION ET SURVEILLANCE DE L’ENVIRONNEMENT. ................. 7

1.2 EVALUATION DES BESOINS DU LABORATOIRE TSE.............................................................................. 9 1.2.1 L’INTERET DU LABORATOIRE TSE POUR LES OUTILS 3D............................................................... 9 1.2.2 LES ATTENTES EN MATIERE DE VISUALISATION 3D DES DONNEES. ......................................... 10

2 CHOIX DES ELEMENTS CONSTITUANT LA CHAINE. ................................................................................. 13

2.1 LES LOGICIELS INFORMATIQUES DISPONIBLES SUR LE MARCHE EN 2005 .................................... 13 2.1.1 LOGICIELS GERANT DES DONNEES DANS UN ESPACE À DEUX DIMENSIONS (2D). ................ 13 2.1.2 LOGICIELS GERANT DES DONNEES DANS UN ESPACE À TROIS DIMENSIONS (3D). ............... 14 2.1.3. COMPATIBILITE DES OUTILS ENTRE EUX : LES FORMATS D’ECHANGE..................................... 14 2.1.4 LES DIFFERENTS NIVEAUX DE DETAILS DE VISUALISATION 3D DES DONNEES. .................... 15

2.2 LES LOGICIELS DISPONIBLES AU CEA POUVANT INTEGRER LA CHAINE. ....................................... 16 2.2.1 LES LOGICIELS A DISPOSITION. ...................................................................................................... 16 2.2.2 LES LOGICIELS A TESTER DANS LE CADRE DU STAGE :.............................................................. 16

3 MISE EN PLACE DE LA CHAINE DE RESTITUTION 3D............................................................................... 19

3.1 DONNEES UTILISEES POUR TESTER LES LOGICIELS ......................................................................... 19

3.2 TEST DES LOGICIELS SPACEYES 3D, 3D ANALYST ET 3DSMAX ........................................................ 20 3.2.1 FONCTIONNALITES SPECIFIQUES A SPACEYES 3D : DESCRIPTION DU LOGICIEL................... 20 3.2.2 FONCTIONNALITES SPECIFIQUES A 3D ANALYST: DESCRIPTION DU LOGICIEL ....................... 23 3.2.3 FONCTIONNALITES SPECIFIQUES A 3DSMAX : DESCRIPTION DU LOGICIEL............................. 27

3.3 ACQUISITION DE L’INFORMATION DE HAUTEUR EN IMAGERIE OPTIQUE......................................... 31 3.3.1 CALCUL DE LA HAUTEUR EN FONCTION DE LA LONGUEUR DE L’OMBRE. ................................ 31 3.3.2 MISE EN PLACE DU PROGRAMME DE CALCUL DES HAUTEURS SOUS IDL ............................... 31

3.4 CHOIX DE LA CHAINE OPERATOIRE QUI CORRESPOND LE MIEUX AUX ATTENTES DU CEA......... 33

4 TEST DE LA CHAINE OPERATOIRE DE RESTITUTION 3D......................................................................... 35

4.1 RESTITUTION 3D DE L’OUEST DE LA VILLE DE BOUMERDES (ALGERIE). ........................................ 35 4.1.1 PRESENTATION.................................................................................................................................. 35 4.1.2 ETAPE N°1 DE LA CHAINE DE RESTITUTION 3D : PREPARATION DES DONNEES (ENVI). ......... 37 4.1.3 ETAPE N°2 DE LA CHAINE DE RESTITUTION 3D : PLAN DES STRUCTURES (ARCGIS).............. 38 4.1.4 ETAPE N°3 DE LA CHAINE: MESURE DE LA HAUTEUR DES STRUCTURES (IDL/ENVI). ............. 40 4.1.5. ETAPE N°4 DE LA CHAINE DE RESTITUTION 3D : VISUALISATION 3D (3D ANALYST)................. 40 4.1.6. ETAPE N°5 DE LA CHAINE DE RESTITUTION 3D : FILM DE SURVOL (3DSMAX). ......................... 43

4.2 LIMITES ET APPORT DE LA CHAINE DE RESTITUTION 3D MISE EN PLACE. ..................................... 46 4.2.1. LES LIMITES DE LA CHAINE OPERATOIRE DE RESTITUTION 3D. ................................................ 46 4.2.2. LES APPORTS DE LA VISUALISATION 3D A L’ANALYSE DES SCENES SATELLITES. .................. 47

CONCLUSION......................................................................................................................................................... 51

REMERCIEMENTS ................................................................................................................................................. 53

ANNEXES................................................................................................................................................................ 55 PROGRAMME DE MESURE DE HAUTEUR....................................................................................................... 55 GLOSSAIRE ........................................................................................................................................................ 58 REFERENCES DISPONIBLES SUR INTERNET ................................................................................................ 60 RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ................................................................................................................ 61

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INTRODUCTION

Comme le prouve l’avènement des programmes WORLDWIND et GOOGLE EARTH disponibles librement sur Internet, la représentation en 3D du relief à partir d’images satellitaires est devenue très courante. De plus les logiciels SIG qui proposent une visualisation en 3D des données géographiques se multiplient. La diversité des outils et modes de représentation 3D disponibles ont conduit le laboratoire de Télédétection et Surveillance de l’Environnement du CEA à mettre en place une étude visant à choisir parmi ces outils, ceux qui sont le plus adaptés à ses besoins. Ceci, afin de constituer une chaîne de restitution 3D de sites à partir d’images satellites de haute résolution.

Pour déterminer les logiciels qui vont intégrer la chaîne opératoire de restitution 3D, il est nécessaire de faire un état des lieux des outils disponibles au laboratoire et sur le marché. Cet état des lieux permettra de sélectionner les logiciels susceptibles d’être intégrés à la chaîne. Les fonctionnalités de chaque logiciel seront testées et les logiciels répondant le mieux aux besoins du laboratoire seront choisis pour constituer la chaîne.

Il est prévu de programmer un outil d’acquisition des hauteurs à partir des images satellites optiques. Cet outil devra compléter la base de donnée SIG.

Afin de mettre en application et de tester la chaîne de restitution établie de manière théorique, une partie de ce stage sera dédiée à la reconstitution en 3D de la ville de Boumerdès. Un jeu de données satellitaires acquises avant et après le séisme qui a touché cette ville d’Algérie en 2003 sera utilisé. Ce test permettra de conclure sur la validité de la chaîne élaborée, sur ses limites et sur l’apport de la 3D aux travaux du laboratoire de Télédétection et Surveillance de l’Environnement.

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1 PRESENTATION DU CEA ET DE SES BESOINS. 1.1 PRESENTATION DU CEA ET DU LABORATOIRE TSE. 1.1.1 LE COMMISSARIAT A L’ENERGIE ATOMIQUE. -Le Commissariat à l’Energie Atomique (CEA). Le CEA a été créé en 1945 par le Général de Gaulle avec l’objectif de devenir le premier organisme européen de recherche technologique et garantir la pérennité de la dissuasion nucléaire. Il intervient dans trois grands domaines : l'énergie, les technologies pour l'information et la santé, et la Défense. Les Directions de la recherche technologique, des sciences du vivant, des sciences de la matière et des applications militaires sont réparties sur neuf centres de recherche en France. -Le Département Analyse et Surveillance de l’Environnement (DASE). Au sein de la Direction des Applications Militaires (DAM), le DASE est spécialisé dans l’étude scientifique et la surveillance opérationnelle. Ses deux rôles principaux sont la surveillance de l’environnement et le contrôle de l’application des Traités (Traité de Non Prolifération et traité d’interdiction complète des essais nucléaires (Compréhensive Test Ban Treaty : www.ctbto.org)). A la demande de l'Agence Internationale pour l'Energie Atomique (AIEA), le DASE contribue aux programmes de garantie du Traité de Non Prolifération en participant aux mesures chimiques et radiochimiques réalisées dans l'environnement des installations nucléaires mondiales. Le traitement du signal (sismique, infrason, hydro-acoustique), la télédétection par imagerie spatiale (optique et radar) et les réseaux de stations sismiques français et euro-méditerranéen du CSEM (dont le siège est hébergé par le DASE) sont des moyens mis en oeuvre à la fois pour vérifier l’application des traités mais aussi pour surveiller l’environnement. Le DASE est, en effet, chargé de surveiller la sismicité et la pollution des sols (géologie, entreposage de très longue durée, modélisation de migration de polluants, rejet liquide et gazeux).

1.1.2 LE LABORATOIRE DE TELEDETECTION ET SURVEILLANCE DE L’ENVIRONNEMENT.

-Le rôle du laboratoire de Télédétection et Surveillance de l’Environnement (TSE). Intégré au DASE, le laboratoire de Télédétection et Surveillance de l’Environnement est chargé

de surveiller l’évolution des sites sensibles (activité nucléaire, évaluation des dégâts et zone à fort risque sismique) en se basant principalement sur l’analyse d’images satellites.

La télédétection est à la fois utilisée dans le cadre de la vérification de l’application des traités comme dans l’étude des phénomènes environnementaux à grande échelle (Tsunami, séisme, évaluation des risques et des dégâts matériels après un séisme).

http://www-drt.cea.fr/

http://www-dsv.cea.fr/

http://www-dsm.cea.fr/

http://www-dsm.cea.fr/

http://www-dam.cea.fr/

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-Composition du laboratoire de TSE. L’équipe du laboratoire de TSE se compose essentiellement de techniciens et ingénieurs spécialisés en géographie, géophysique, traitement du signal, analyse d’images ou/et informatiques. Les travaux effectués concernent l’ensemble des données satellitaires (radar, imagerie multi et hyper spectrale). Les activités du laboratoire sont regroupées en deux catégories : l’analyse d’image et la recherche & développement (R&D).

-Les Analystes : Ils sont chargés d’observer les régions et de suivre l’évolution des sites à caractère sensible dont le laboratoire a la surveillance. Le suivi de site est effectué à partir d’images satellites acquises sur différentes périodes. Les travaux d’analyse et de suivi de site sont réalisés en étroite collaboration avec les informaticiens chargés de développer des outils adaptés à leurs besoins. -Les chercheurs : Souvent formés sur plusieurs disciplines (informatique et géophysique par exemple), les ingénieurs/chercheurs du laboratoire développent des programmes destinés à automatiser le traitement et l’analyse des données. Des programmes de calcul sont développés pour quantifier les effets de l’atmosphère sur les données radar (pour améliorer les mesures d’interférométrie) ou encore pour identifier automatiquement les rejets liquides et gazeux par imagerie optique visible et infrarouge (application pollution).

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1.2 EVALUATION DES BESOINS DU LABORATOIRE TSE. 1.2.1 L’INTERET DU LABORATOIRE TSE POUR LES OUTILS 3D. Avant de chercher et tester les logiciels susceptibles d’entrer dans la chaîne opératoire 3D, il a fallu identifier le plus clairement possible les besoins du laboratoire en matière d’outils 3D et les raisons pour lesquelles il s’intéresse à cette technologie. -Les Systèmes d’Information Géographique (SIG)* dans l’analyse et le suivi de site.

Les analystes utilisent les SIG pour cartographier les structures identifiées sur les scènes satellites. Les SIG sont des outils efficaces de suivi temporel. En effet, ils permettent de gérer et de superposer dans un espace géoréférencé, des bases de données géographiques (vecteur, raster) de sources et de périodes différentes. Il devient alors facile de comparer des données nouvellement acquises en les superposant à des données antérieures. Les différences et les changements identifiés entre ces données permettront de conclure si la zone étudiée a évolué ou non dans le temps. -Les SIG sont des logiciels en pleine évolution. En tant que laboratoire de recherche et développement, il se doit de suivre l’évolution des outils disponibles sur le marché de façon à proposer des solutions innovantes toujours à la pointe de la technologie. L’évolution des outils SIG tend vers la visualisation des données géoréférencées dans un espace à trois dimensions. Les nouveaux SIG sont capables notamment d’interpréter les informations altimétriques contenues dans le MNT et de les visualiser en 3D sous forme de maillage. -Les SIG 3D : outils de visualisation tridimensionnelle des données géoréférencées.

Le développement de la 3D dans les SIG et les nouvelles possibilités de visualisation du relief intéressent le laboratoire TSE pour plusieurs raisons :

-Premièrement, il est sans cesse à la recherche de nouveaux outils permettant de perfectionner le processus d’analyse des scènes satellites. La visualisation en 3D des données peut aider à la compréhension des structures identifiées sur les scènes satellites et aider le travail d’analyse. -Deuxièmement, le laboratoire voit dans la réalisation de films de survols 3D, un moyen de mettre en valeur et d’améliorer la communication sur ses travaux. Ces représentations 3D étant destinées aux chercheurs comme aux personnes non initiées à l’image satellite.

Un des objectifs de ce stage sera de voir ce qu’apportent ces outils 3D et dans quelle mesure ils peuvent aider ou donner de nouvelles perspectives au travail d’analyse.

* SIG : Systèmes d’information géographique - SIG (Géographic information system - GIS) Système informatique permettant, à partir de diverses sources, de rassembler et organiser, de gérer, d’analyser et combiner, d’élaborer et de présenter des informations localisées géographiquement, contribuant notamment à la gestion de l’espace.

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1.2.2 LES ATTENTES EN MATIERE DE VISUALISATION 3D DES DONNEES. De nombreuses réunions avec les analystes et le responsable du laboratoire ont permis de définir les besoins. Ces besoins peuvent se résumer ainsi : « La représentation tridimensionnelle du site doit être la plus réaliste possible. La scène 3D doit être détaillée, avec un rendu visuel de haute qualité tout en conservant l’accès aux informations géographiques. ». Les besoins du laboratoire TSE sont donc doubles. Un réalisme spatial et un réalisme visuel sont recherchés. -Un double niveau de réalisme 3D.

Réalisme spatial : Après avoir analysé la scène satellite, puis tracé dans un SIG les contours des structures identifiées (sous forme de polygones vectoriels) et donné à chaque polygone des attributs particuliers (hauteur, type, etc.), ces couches vectorielles sont importées dans un logiciel SIG 3D. L’outil SIG 3D doit être capable d’interpréter et traduire sous forme surfacique les informations de volume contenues dans le MNT (que ses informations soient représentées sous forme vectorielle (courbe de niveau, point coté) ou raster (niveau de gris). Le SIG 3D doit permettre de visualiser, sur le relief modélisé, les mosaïques d’images satellites de haute résolution (dont la taille dépasse souvent les 1 Go) ainsi que toute autre jeu de données raster et vecteur aux mêmes références géographiques. Naturellement, en tant que SIG, cet outil doit permettre d’effectuer des requêtes et donner accès aux coordonnées géographiques des éléments de la scène 3D sélectionnés ou pointés. La représentation tridimensionnelle des structures doit se faire de manière automatique (extrusion des polygones en fonction de la hauteur qui leur est attribuée) et représenter le plus fidèlement possible (formes et matériaux) les infrastructures identifiées sur ces scènes satellites. Le SIG doit autoriser l’import d’objets 3D spécifiques depuis une bibliothèque. Réalisme visuel :

Pour la mise en valeur et la démonstration des résultats de ses travaux, le laboratoire a aussi un besoin de maquettes 3D dont l’aspect visuel s’approche le plus possible de la réalité :

-Les objets 3D doivent représenter le plus fidèlement possible la structure originale. Ce qui implique un travail important de modélisation et de texture. -L’animation de la caméra, l’éclairage de la scène (ombres et lumières), la profondeur de champ, ainsi que la résolution vidéo doivent être paramétrés au mieux pour assurer le maximum de qualité et de réalisme au film de survol.

Les attentes du CEA vont au delà des fonctions de visualisation 3D des données géographiques.

Il est probable que les outils SIG 3D dédiés à la base à la création de cartes et à l’analyse cartographique, ne soient pas adaptés à la création de paysages photo réalistes et ne puissent pas répondre à la qualité visuelle attendue.

La première étape de la conception de la chaîne va consister à rechercher un logiciel bivalent permettant de gérer à la fois l’information géographique et de réaliser des films de haute qualité à partir des données satellitaires.

Logiciel SIG 3D

Réalisme Spatial Information

géographique +

Réalisme Visuel Film de survol photo réaliste

Logiciel de

traitement d’image pour préparer les

données satellitaires

Logiciel SIG

Plan des structures identifiées

Figure n°1 : modèle de chaîne opératoire n°1

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Si actuellement aucun logiciel sur le marché ne répond à ces contraintes, il faudra multiplier les outils de la chaîne. Un logiciel sera utilisé pour visualiser en 3D et interroger les données géographiques. Un logiciel de graphisme 3D permettra d’améliorer l’aspect visuel de la scène réalisée avec le SIG 3D. Ces logiciels devront être compatibles entre eux et posséder des formats d’échanges de fichiers communs.

Logiciel 3D

Réalisme visuel Film de survol Photo réaliste.

Logiciel SIG 3D

Réalisme Spatial Information

géographique

Logiciel de

Traitement d’image pour préparer les

données satellitaires

Logiciel SIG

Plan des structures identifiées

Figure n°2 : modèle de chaîne opératoire n°2 L’efficacité de la chaîne opératoire dépendra avant tout de sa simplicité. Plus cette chaîne comprendra d’outils et de logiciels différents et plus l’import et l’export des données entre ces logiciels seront problématiques (format des fichiers, paramètre de projection des données, géoréférencement).

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2 CHOIX DES ELEMENTS CONSTITUANT LA CHAINE.

Les besoins étant clairement définis, l’étude qui va suivre devra mettre en place les différents éléments constituant la chaîne de restitution 3D. Plusieurs étapes sont nécessaires pour élaborer cette chaîne. Premièrement il va falloir prendre connaissance des outils disponibles sur le marché et au CEA. Deuxièmement, une phase de test sera nécessaire pour définir les outils les mieux adaptés aux besoins du laboratoire. Et finalement, la reconstitution en 3D d’une scène satellitaire permettra de tester la validité et les limites de la chaîne opératoire mise en place. 2.1 LES LOGICIELS INFORMATIQUES DISPONIBLES SUR LE MARCHE EN 2005 L’évolution rapide et constante des outils informatiques oblige les utilisateurs à s’informer très régulièrement des dernières avancées technologiques. Il est nécessaire de faire un état des lieux des outils et techniques disponibles en 2005 et du choix que possède le laboratoire en ce domaine. La liste des logiciels ci-dessous est loin d’être exhaustive. Elle présente les logiciels les plus utilisés ou développés à l’heure actuelle (mais rien ne garantit qu’ils le resteront). 2.1.1 LOGICIELS GERANT DES DONNEES DANS UN ESPACE À DEUX DIMENSIONS (2D). On désigne par 2D toute image conçue sur un plan. Un plan est une surface comme un écran qui se décrit grâce à 2 vecteurs :X et Y.

Logiciels de retouche d’image : Ces logiciels permettent la retouche d’images raster uniquement (changement de taille, déformation de l’image, changement de résolution, découpage, seuillage, filtrage, etc.). Mis à part le format «TIFF», ils acceptent généralement peu de formats d’images satellites. L’information de géoréférencement n’est pas prise en compte par ces logiciels. Exp: PHOTOSHOP, PAINT-SHOP-PRO, etc. Logiciels de traitement d’images satellites:

Lecture, géoréférencement, mosaïque, filtrage, classification et transformation de données satellitaires. Exp.: ENVI, GEOIMAGE, ERMAPER, ERDAS etc.

Logiciels SIG :

Leurs outils de dessin vectoriel sont adaptés à la création de plans et cartes à partir d’images satellites ou autres données géocodées (unité/projection/ellipsoïde). Plusieurs couches de données géoréférencées peuvent êtres superposées. Les couches vectorielles créées sont géoréférencées. Il est possible d’ajouter des informations à la couche attributaire des polygones et d’accéder rapidement à ces informations par des requêtes. Exp: ARCGIS, MAPINFO, GEOMEDIA, GEOCONCEPT, etc. Logiciels de Dessin Assisté par Ordinateur (DAO)

Le DAO est principalement dédié au dessin vectoriel. Il est utilisé dans tous les domaines pour lesquels il est nécessaire de faire des plans, du dessin industriel, du dessin technique ou du dessin mécanique (Architecture et BTP). Ils ne gèrent pas les informations de géoréférencement. Exp : ILLUSTRATOR, AUTOCAD, VECTOR WORKS.

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2.1.2 LOGICIELS GERANT DES DONNEES DANS UN ESPACE À TROIS DIMENSIONS (3D).

On désigne par 3D toute image conçue dans un espace à trois dimensions. Cet espace est définit par 3 vecteurs : X, Y et Z, mais on peut aussi parler de longueur, largeur, hauteur.

Logiciels SIG 3D : Outil permettant la visualisation et l’analyse de données satellites ou topographiques dans un espace tridimensionnel géocodé. Ces outils permettent :

- de visualiser les données SIG dans un espace à trois dimensions. - de draper des données raster ou vecteur (images satellites, cartes, ou plans) sur un modèle 3D (MNT). - d’effectuer des requêtes en fonction de données attributaires ou en fonction de la localisation. - d’extruder des vecteurs 2D en utilisant les données attribuées aux polygones. - de créer des films de survols ou des images fixes à partir des vues de la scène.

Exp.: IMAGINE-VIRTUAL-GIS, VERTICAL MAPPER, VIRTUAL FRONTIER (MAPINFO), TERRAVISTA (TERREX), 3D ANALYST (ARCGIS), TERRAINVIEW, SPACEYES 3D (GEOIMAGE), SKYLINE, AUTODESK-MAP-3D, etc.

Logiciels de Conception Assistée par Ordinateur (CAO) :

Adapté à l’élaboration de modèle 3D à partir de plans et dessins techniques au format vecteur, ces logiciels sont utilisés pour concevoir des machines, des moteurs ou des infrastructures (modélisation, simulation, rendu d’image). Ils ne gèrent pas les informations de géoréférencement. Exp: AUTOCAD, MICROSTATION, ARCHICAD, TURBOCAD, etc. Logiciels de graphisme 3D :

Ces logiciels sont spécialisés dans la création de scènes et animations 3D au rendu photo réaliste. Ils sont principalement utilisés dans l’industrie du jeu vidéo et du cinéma (animation, effets spéciaux). Toutes les fonctionnalités accessibles dans ces logiciels sont généralement paramétrables et modifiables à souhait (modélisation, texture, éclairage, effets spéciaux, animation et rendu). Les informations de géoréférencement ne sont pas prises en compte par ces logiciels. Exp.: 3DSMAX, MAYA, XSI, etc.

2.1.3. COMPATIBILITE DES OUTILS ENTRE EUX : LES FORMATS D’ECHANGE. Les échanges de données constituent aujourd'hui un des éléments clés pour la constitution des systèmes d'information. Ces systèmes sont en effet généralement amenés d'une part à fusionner des informations issues de sources diverses, d'où une problématique d'import et de compatibilité des données, et d'autre part à diffuser des données à valeur ajoutée, d'où une problématique d'export. Les formats d’entrée et de sortie constituent par conséquent un paramètre important dans le choix d’un logiciel. Les formats DXF et VRML sont des formats d’échange très répandus. Ces formats gèrent les informations 2D et 3D contenues dans les fichiers vecteurs (ID, coordonnées des sommets x, y et z, surface, textures, etc.).

2.1.4 LES DIFFERENTS NIVEAUX DE DETAILS DE VISUALISATION 3D DES DONNEES.

Les logiciels 3D ne proposent pas tous le même niveau de détail. Certains permettent d’ajouter des textures aux objets 3D d’autres sont capables de calculer des ombres. Il faudra choisir le logiciel adapté au niveau de détail et de réalisme spatial recherché.

Figure n°3: niveau de détail faible :

-Drapage des mosaïques sur le MNT et visualisation en 3D. -Simple extrusion de polygones. Géoréférencement : oui Difficulté technique : faible Temps de travail : moyen

Figure n°3

Figure n°4: niveau de détail moyen : -Texture sur les faces extrudées. -Import d’objets 3d. -Orientation de l’éclairage. Géoréférencement : oui Difficulté technique : moyenne Temps de travail : moyen

Figure n°4

Figure n°5 : niveau de détail élevé : -Ombres portées sur les objets.

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-Lumières volumiques, radiosité. -Mapping et textures détaillées (opacité, rugosité, brillance, reflet).

Figure n°5

-Profondeur de champ. -Modification du maillage. -Animation et déformation animées. -Effets spéciaux (néons, fumée, etc.). NB : toutes les fonctions sont paramétrables. Géoréférencement : non Difficulté technique : élevé Temps de travail : moyen à très long.

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2.2 LES LOGICIELS DISPONIBLES AU CEA POUVANT INTEGRER LA CHAINE. 2.2.1 LES LOGICIELS A DISPOSITION. -Les logiciels de traitement d’image disponibles et utilisés au laboratoire. ENVI (RSI) et GEOIMAGE. Le logiciel ENVI est associé à IDL, un langage de programmation de quatrième génération permettant de développer des programmes de traitement et d’analyse d’image satellitaire. IDL est utilisé par les ingénieurs du laboratoire dans le cadre des travaux de recherche et développement. Pour rendre la chaîne de restitution 3D fonctionnelle il est prévu de créer, avec IDL, un programme de mesure des hauteurs des structures identifiées sur les scènes satellites. IDL étant déjà utilisé pour la programmation, le traitement des images optiques sera effectué avec le même logiciel sous l’interface ENVI. -Les Logiciels SIG disponibles au laboratoire. ARCVIEW3 et ARCGIS (ESRI) Le logiciel ARCGIS est utilisé par les chercheurs comme par les analystes. Il sera choisi pour tracer le plan des structures identifiées sur les scènes satellites. 2.2.2 LES LOGICIELS A TESTER DANS LE CADRE DU STAGE : -Les Logiciels SIG3D à tester : SPACEYES 3D (GEOIMAGE), compatible avec GEOIMAGE. ARCGIS 3D ANALYST (ESRI), compatible avec ARCVIEW Parmi les logiciels disponibles sur le marché, SPACEYES 3D et 3D ANALYST ont été choisis pour leur compatibilité avec les logiciels SIG déjà utilisés par les ingénieurs du laboratoire (ARCVIEW et GEOIMAGE). -Le Logiciel de graphisme 3D à tester : 3DSMAX 7 (DISCREET) A mon arrivée au CEA, le laboratoire venait de faire l’acquisition du logiciel 3DSMAX. Les analystes comptaient utiliser ce logiciel pour modéliser les structures identifiées sur les images satellites et importer ces modèles dans SPACEYES 3D.

TRAITEMENT DE

L’IMAGE VECTORISATION

SIG MESURE DES

HAUTEURS SIG 3D

GRAPHISME

3D

3D ANALYST ENVI ARCGIS IDL

SPACEYES 3D

3DSMAX

Traitement et

définition de la zone d’étude.

Dessin des structures identifiées.

Renseignement des attributs de chaque entité.

Calcul de la hauteur

des bâtiments.

Inscrire la hauteur mesurée dans la

colonne « hauteur » du Shapefile et à la ligne correspondant

au polygone sélectionné.

Visualisation en 3D des données

rasters et vecteurs issues du SIG.

Extrusion des polygones en fonction de la

hauteur inscrite dans la table attributaire du

Shapefile.

Import d’objets 3D créés avec 3DSMAX.

Films de survol.

Bibliothèque d’objets 3D : Modélisation et texture des infrastructures de la scène. Ces objets

sont destinés à être

importés dans les SIG 3D.

Mise en scène

et Eclairage. Films de survol.

Figure n°6 : Logiciels choisis pour intégrer la chaîne opératoire.

L’étude qui va suivre présente les fonctionnalités principales des logiciels 3DSMAX, SPACEYES 3D et 3D ANALYST. Le but de cette évaluation étant de choisir l’outil répondant au mieux aux attentes du laboratoire.

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3 MISE EN PLACE DE LA CHAINE DE RESTITUTION 3D. 3.1 DONNEES UTILISEES POUR TESTER LES LOGICIELS -Matériel utilisé : CPU : 4 processeurs Intel, Xeon ™ à 3.60 GHz / RAM : 3 Go / Système : Windows XP Carte graphique : Nvidia Quadro FX 3400 -Base de données raster : Pour tester les différentes fonctionnalités des logiciels et leur capacités, plusieurs types de données images ont été utilisés : QUICKBIRD, IKONOS et SPOT. La taille des données raster, à ma disposition pour comparer et tester les logiciels, varie entre 12Mo et 850Mo. En moyenne les images utilisées font 200Mo.

MNT SRTM Taille du pixel : 75 m Taille du fichier : 13 Mo

Trois images Quickbird multi spectral (canaux 1, 2, 3, 4) Taille du pixel : 0,6m Taille du fichier : 541Mo

SPOT panchromatique Une image « Orthoview » Taille du pixel : 5 m Taille du fichier : 102 Mo

QUICKBIRD Panchromatique Mosaïque de six images panchromatiques. Taille du pixel : 0,6m Taille du fichier : 3 Go (524 Mo par image)

IKONOS multi spectral Une composition colorée (1, 2, 3, 4) Taille du pixel : 4 m Taille du fichier : 95 Mo

Figure n°7 : données raster utilisées pour tester les logiciels.

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20

3.2 TEST DES LOGICIELS SPACEYES 3D, 3D ANALYST ET 3DSMAX 3.2.1 FONCTIONNALITES SPECIFIQUES A SPACEYES 3D : DESCRIPTION DU LOGICIEL

Etant déjà disponible au laboratoire, SPACEYES 3D fut le premier logiciel à avoir été testé. SPACEYES 3D est un logiciel développé par la société GEOIMAGE. Il permet de visualiser dans un espace tridimensionnel géocodé, les données géographiques qui possèdent des valeurs d’élévation. -SPACEYES 3D/GEOIMAGE :

Il ne s’agit pas d’un outil de traitement d’image : -Pas de filtre. -Pas de seuillage des images possible. -Pas de retouche d’image possible. NB : Il propose des fonctions de masque grâce à la gestion de la couche alpha.

Il ne s’agit pas d’un outil SIG à part entière :

-Les fonctions de dessin vectoriel sont très limitées (mais suivent le MNT). Il n’est pas possible d’exporter une couche vectorielle lisible par les logiciels SIG standard (pas d’export vers ArcGis ou Map Info…).

C’est un très bon outil pour visualiser en 3D des données drapées de sur le MNT : -Les mosaïques d’images satellites (200 Mo minimum) s’intègrent facilement. -La navigation dans la scène est très fluide et la collision avec le sol est très bien gérée. -Il est possible de créer des séquences d’images et des films à partir de différentes prises de vue de la scène. .

Les fonctions 3D : Les fonctions 3D sont minimales et ne font pas de Spaceyes un outil 3D à part entière : -Il est possible d’extruder les couches vectorielles importées en fonction de la hauteur renseignée dans les attributs des polygones et d’affecter une couleur différente au mur et au toit. -Il est possible d’importer des objets 3D et de modifier leur taille mais il n’est pas possible de modifier leur maillage (pas de modélisation). -Il n’est pas possible de modifier l’éclairage et la lumière ne génère pas d’ombre.

Dans quel but utiliser Spaceyes 3D:

-Pour obtenir une visualisation 3D rapide de mosaïques d’images raster et de données vecteurs extrudées drapées sur un MNT. -Pour réaliser des films de survol.

Figure n°8 : Interface du logiciel Spaceyes 3D.

-SPACEYES 3D répond-il aux attentes du CEA ?

Concernant le réalisme spatial : SPACEYES 3D répond aux attentes du CEA en matière de réalisme spatial : le

logiciel permet de visualiser dans un espace à trois dimensions et en temps réel les données issues d’un SIG. Les mosaïques d’images satellites sont drapées sur le MNT et visualisées en 3D. Les informations de géoréférencement sont conservées mais la modification de ces données est très difficile.

Concernant le réalisme visuel :

SPACEYES 3D ne répond pas entièrement aux attentes du TSE en matière de qualité visuelle. Il est possible d’extruder les polygones des couches vectorielles drapées sur le MNT mais les faces ainsi créées ne peuvent pas être texturées. L’absence d’ombre portée et de texture nuit au réalisme de la scène. Les scènes créées avec ce logiciel ont un aspect plus « schématique » que réaliste.

La limite majeure de ce logiciel est l’impossibilité d’exporter les éléments de la

scène (données vecteurs issues du SIG + MNT + objets 3D importés) vers d’autres logiciels plus adaptés dans la réalisation d’image de haute qualité.

Les formats d’échanges et les possibilités graphiques de ce logiciel étant trop limités, une chaîne opératoire constituée de ce logiciel ne répondra pas entièrement aux besoins du CEA. Il est nécessaire de tester un autre logiciel de type SIG 3D et de comparer ses fonctions à celles de SPACEYES 3D pour choisir l’outil le mieux adapté et le plus performant. 3DANALYST a été choisi pour ses fonctions prometteuses mais surtout pour sa compatibilité avec ARCGIS, logiciel SIG déjà utilisé au CEA.

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22

SPACE EYES 3D/GEOIMAGE COMPOSITION D’UN FICHIER FONCTIONS OUI/NON NOTE

Géoréférencement oui mais… Pas de modification

MNT raster oui Ortho-image et Mosaïques oui

Données en entrée minimales

Taille image > à 50 méga octets oui

Le MNT et l’image doivent être géoréférencés dans le même système de projection et avoir la même unité planaire

Traitement d’image Seuillage des images. non

Import Formats acceptés par les SIG (.DXF, .SHP, TIFF, SDTS, PNG, JPEG, ESAT, ENVI, USGSDEM…)

oui Beaucoup de formats d’import 3D, raster et vecteur

En fichiers raster et vecteur. DXF, .SHP, TIFF, SDTS, PNG, JPEG, ESAT, ENVI, USGSDEM.

non

Export 3D VRML non Film de survols oui Images fixes à partir des vues oui

Export

Viewer ou navigation interactive (mesures et liens hypertextes) non

Donner des attributs aux entités non Requêtes non Mesures de terrain oui

Ajout d’informations sur la maquette

Retoucher la maquette non Pas d’outils de modélisation 3D

Import d’objets 3D oui objets 3D modélisés sous 3dsmax

Gestion de la texture et des coordonnées de mapping des objets 3D

oui

Modification des dimensions des objets 3D oui

Bibliothèque d’objets 3D non

Objets 3D

Retouche des objets 3D non Pas d’outils de modélisation 3D

Dessin vectoriel très peu Ce logiciel n’est pas conçu pour le dessin vectoriel. Vecteurs 2D Drapé des couches vecteurs 2D

linéaires importées sur le MNT oui

Créer un MNT à partir de données vecteurs (points cotés, courbes de niveau).

non Seul les MNT raster (grid) sont acceptés par le logiciel.

Extrusion négative non Extrusion des couches de polygones 2d pour représenter des bâtiments.

oui

Extrusion en fonction de l’information de «hauteur» ou d’«élévation» attribuée aux polygones de la couche vecteur

oui

Différencier la couleur des faces,des toits et des murs extrudés. oui

Gestion de l’information d’élévation des couches vectorielles

Différencier la texture des faces,des toits et des murs extrudés. non Pas de texture

Modification de l’orientation de la lumière. non Rendu

Ombre portée non

Programmation Module de création de Scripts non

Il n’est pas possible de générer ses propres scripts. Cependant, le projet SpacEyes3D (*.gvw), est un fichier texte éditable dans WORDPAD.

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3.2.2 FONCTIONNALITES SPECIFIQUES A 3D ANALYST: DESCRIPTION DU LOGICIEL

La gamme ARCGIS se découpe en plusieurs modules. Le noyau central du logiciel se compose de ARCCATALOG, ARCMAP et ARCTOOLBOX. ARCCATALOG et ARCTOOLBOX permettent la gestion de la base de données (classer, convertir, géoréférencer les données). ARCMAP est le module SIG qui possède les outils nécessaires à la création, l’interrogation et la modification des cartes géoréférencées. A ce noyau il est possible d’ajouter des modules optionnels tels que 3D ANALYST et ARCGLOBE. 3D ANALYST est l’extension qui permet de visualiser dans un espace à trois dimensions, les données SIG. Nous allons tester les fonctions de cette extension. ARCGLOBE permet de visualiser les données géoréférencées sur le globe terrestre. 3D ANALYST et ARCGLOBE fonctionnent en étroite liaison avec ARCCATALOG et ARCMAP. Ces modules sont compatibles et complémentaires entre eux. NB : Le test s’est effectué dans les mêmes conditions (même matériel, mêmes données) que le test du logiciel SPACEYES 3D.

-ARCGIS 3D ANALYST :

Il possède quelques fonctions de traitement d’image: -Il est possible avec 3D ANALYST de modifier le seuillage et la palette des couleurs des rasters. -Il est aussi possible d’effectuer des classifications des pixels de l’image en fonction de valeurs choisies. -Cependant il n’est pas possible de retoucher ou filtrer les images raster.

Ses fonctions SIG 3D sont limitées : -Les fonctions de dessin vectoriel sont très limitées. Il est possible de tracer des lignes et des polygones qui suivent le MNT, mais les outils ne sont pas aussi nombreux que dans ARCMAP. -Il est possible d’importer et exporter différents formats de couches vectorielles. -Il est possible d’effectuer des requêtes sur les surfaces ou sur les attributs des entités intégrées.

C’est un outil SIG 3D en développement : -Le géoréférencement des données est respecté et il est possible de le modifier. -Les données vecteur et les données raster (+ de 200 Mo) viennent se draper sur le MNT et sont affichées en temps réel. -Il est possible de modifier les attributs des entités importées dans la scène. -Il est possible de créer des films de survol (malheureusement les films ne sont pas de très bonne qualité). -Il est possible d’extruder les couches vectorielles importées en fonction de la hauteur renseignée dans les attributs (il est possible d’affecter une texture aux faces des toits mais la texture n’est pas gérée sur les façades). -3D ANALYST s’accompagne d’une bibliothèque d’objet 3D et de textures. Un objet 3D est considéré et géré comme un symbole ponctuel. Il ne peut pas être positionné manuellement dans la scène. Son emplacement doit être prédéfini par un point sur une couche vecteur spécifique. Il est possible de modifier sa taille mais il n’est pas possible de modifier le maillage de l’objet. -3D ANALYST permet de créer des TIN à partir de données raster, ou de courbes de niveau ou à partir d’un ensemble de points vecteurs.

-Les valeurs négatives sont prises en compte pour l’extrusion. -Il est possible d’exporter la scène 3D en ficher VRML et GEOVRML. -Animation de groupes de couches (cette fonction n’a pas été testée).

3D ANALYST n’est pas un modeleur 3D : 3D ANALYST permet effectivement la création de TIN, l’import d’objet 3D et l’extrusion de couches vectorielles, mais il est impossible d’en modifier le maillage 3D (pas de modélisation). Pour créer ou modifier des objets 3D, il faut utiliser un autre logiciel qui possède les outils de création de maillage et de texture. Il est possible avec 3D ANALYST de modifier l’orientation de l’éclairage ambiant de la scène, mais il n’est pas possible de le paramétrer précisément. L’éclairage ne génère pas d’ombre portée.

Dans quel but utiliser 3D ANALYST: Pour obtenir une visualisation 3D rapide de mosaïques d’images raster et de données vecteurs extrudées drapées sur un MNT. -Pour visualiser ses données sur le globe. -Pour créer des surfaces à partir de données ponctuelles. -Pour analyser le relief (profils, bassins versants, champ de vision). -Comme logiciel d’échange et de transfert des données SIG vers des logiciels orientés graphisme 3D et CAO.

Figure n°9 : Interface du logiciel 3D ANALYST.

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ARCGIS 3D ANALYST

COMPOSITION D’UN FICHIER POSSIBILITES NOTE

Geo-réferencement oui Possibilité de modification MNT oui Ortho-image et Mosaïques oui


Taille image > à 50 méga octets oui

Le MNT et l’image doivent être géoréférencés dans le même système de projection et avoir la même unité planaire

Traitement d’image Seuillage des images. oui


oui Beaucoup de formats d’import 3D, raster et vecteur


oui mais… Pas d’export DXF

Export 3D VRML oui Et GEOVRML Film de survols oui mais… Très mauvaise qualité Images fixes à partir des vues non Imprime écran

Export

Viewer ou navigation interactive (mesures et liens hypertextes) oui

Donner des attributs aux entités oui

Requêtes oui Des requêtes sur les surfaces ou sur les attributs des entités intégrées

Mesures de terrain oui


Retoucher la maquette non Pas d’outils de modélisation 3D

Import d’objets 3D oui Objets 3D modélisés sous 3dsmax

Gestion de la texture et des coordonnées de mapping des objets 3D

oui

Modification des dimensions des objets 3D oui

Bibliothèque d’objets 3D oui

Objets 3D

Retouche des objets 3D non Pas d’outils de modélisation 3D

Dessin vectoriel oui mais…

Très peu d’outils. Ce logiciel n’est pas conçu pour le dessin vectoriel. Il faut créer les couches vectorielles dans ARCMAP

Vecteurs 2D

Drapé des couches vecteurs 2D importées sur le MNT oui


oui

Le MNT peut être créé par des méthodes d’interpolations différentes. Raster et Vecteur sont acceptés

Extrusion négative. oui Extrusion des polygones 2d pour représenter des bâtiments. oui

Extrusion en fonction de l’information de «hauteur» ou d’«élévation» attribuée aux polygones de la couche vecteur.

oui

Différencier la couleur des faces, des toits et des murs extrudés. non


Différencier la texture des faces, des toits et des murs extrudés. non Texture unique par entité.

Modification de l’orientation de la lumière. oui Rendu

Ombre portée. non Programmation Module de création de Scripts oui

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-3D ANALYST répond-il aux besoins du laboratoire? Concernant le réalisme spatial :

ARCGIS 3D ANALYST répond aux attentes du CEA en matière de réalisme spatial : le logiciel est capable de traduire sous forme surfacique les informations de volume contenues dans le MNT. Les données issues du SIG et les mosaïques d’images satellites (dont le poids dépasse souvent les 200 Mo) sont drapées sur le MNT et visualisées en 3D. Le géoréférencement est conservé et 3D ANALYST permet à l’utilisateur d’effectuer des requêtes sur les données.

Concernant le réalisme visuel :

La qualité visuelle souhaitée par le laboratoire n’est pas obtenue. 3D ANALYST permet d’extruder des vecteurs 2D mais ne gère pas précisément la manière dont s’appliquent les matériaux sur les faces extrudées. L’éclairage ambiant de la scène est assez sombre et ne génère pas d’ombre portée. Les images des films de survol réalisées avec ce logiciel sont « crénelées »* ce qui nuit hautement à la qualité visuelle du produit final. Toutefois, contrairement à SPACEYES, ce SIG 3D permet d’exporter les scènes créées au format VRML. Le format VRML est un format d’export 3D standard, accepté par la majorité des logiciels 3D spécialisés dans le rendu réaliste (modélisation, texture, animation, éclairage, etc.). Il est donc possible d’améliorer la qualité visuelle d’une scène créée avec 3DANALYST en l’important (au format VRML) dans un de ces logiciels 3D spécialisés (ici 3DSMAX).

* Le lissage ou (Antialiasing en anglais) est une technique qui permet d’éliminer lors du rendu, l’effet de crénelage des pixels de l’image.

27

3.2.3 FONCTIONNALITES SPECIFIQUES A 3DSMAX : DESCRIPTION DU LOGICIEL 3DSMax a été testé dans les mêmes conditions que 3DANALYST ET SPACEYES3D. -3DSMAX :

Il ne s’agit pas d’un outil de traitement d’images : Pas de seuillage ni de retouche des images possible.

Il ne s’agit pas d’un outil SIG (ni SIG 3D): Le dessin vectoriel est possible et les vecteurs peuvent être exportés en DXF.

Cependant 3DSMAX n’accepte pas les tables attributaires. 3DSMAX ne gère pas le géoréférencement des données et contrairement aux logiciels SIG et SIG 3D, 3DSMAX n’est pas adapté à l’ouverture d’images de plus de 50 Mo ! Avant d’importer les images dans le logiciel 3DSMAX, il faut optimiser l’image (perte en qualité) ou découper l’image (recalage plus complexe).

3DSMAX ne possède pas d’outil réellement adapté pour convertir automatiquement un MNT raster en maillage. Cette conversion est possible mais est relativement compliquée. Il est préférable de créer le maillage du modèle avec un outil conçu pour visualiser les MNT (ENVI, ERDAS, 3DANALYST, GEOIMAGE).

3DSMAX est un modeleur 3D : 3DSMAX permet de modéliser, de draper des textures sur des objets 3D et

d’effectuer des rendus de très haute qualité. La reconstitution des sites avec ce logiciel peut atteindre des niveaux de réalisme convainquant. Cependant, le niveau de réalisme d’une scène 3D dépend du niveau de détail de la modélisation et des textures. La modélisation et les textures ne peuvent être détaillées que si les informations sur les structures sont détaillées (plan des structures détaillé et textures de haute résolution). -La modélisation : Il est possible de modéliser des formes extrêmement complexes. Il faut toutefois noter que le nombre de faces alourdit les scènes. On considère qu’une scène devient « lourde » c'est-à-dire difficile à gérer, lorsque le nombre de face de la scène dépasse 1.000.000. Le nombre d’objets à représenter doit être pris en compte pour évaluer le niveau de détail optimal pour le maillage (nombre de faces/objets).

-Les textures (mapping) : Sur les faces des structures modélisées, il est possible de draper les photographies des façades et des toits existants. Ce drapage (mapping) s’effectue avec des outils qui permettent de positionner très précisément la texture sur les faces (points d’amer, reconnaissance des faces, diverses projections, mélange de texture, modification de l’orientation et de la répétition). Plus la résolution de l’image drapée est élevée, plus il y a de détails représentés et plus le rendu visuel de la structure est réaliste.

Un problème se pose si les seules textures disponibles pour le mapping sont les images satellites. En effet, La résolution de ces images ne permet pas d’obtenir des textures de haute qualité. Les informations de façades ne sont pas toujours disponibles en imagerie optique. Quand les façades sont visibles, elle sont déformées par l’effet de perspective du à l’angle de visée du capteur. De plus la taille du pixel des images satellites ne permet pas un niveau de détail assez fin.

Par exemple, sur une image du satellite civil possédant actuellement la meilleur résolution spatiale (pixel= 0,6m) les fenêtres et les portes sur les façades des bâtiments ne sont représentées que par quelques pixels (Figure n° 10). Le niveau de détail des façades n’est pas assez élevé pour permettre un rendu réaliste de la structure. Plusieurs solutions sont alors possibles : -Si le site est accessible, prendre des clichés photographiques des façades au sol. -Le cas échéant, utiliser une photographie de façade qui ressemble à celle observée (même type de bâtiment par exemple). L’aspect visuel sera réaliste mais ne correspondra pas à la réalité (Figure n° 11). -Ne pas mettre de texture. -Ne pas approcher la caméra trop près des structures lors de la création du film de survol. D’autres facteurs jouent sur la qualité visuelle de la scène: -L’éclairage : L’un des principaux facteurs de réalisme est l’éclairage, et plus précisément la gestion des ombres. Je n’ai pas trouvé de logiciel SIG 3D qui permette le calcul des ombres portées des objets 3D extrudés. 3DSMAX calcule les ombres portées sur les objets modélisés à partir de lumières positionnées manuellement ou automatiquement en fonction d’une date et d’une heure définie. Il est possible de paramétrer l’intensité

et la couleur de ces lumières, leur étendue et de gérer la précision, le flou et l’intensité des ombres qu’elles génèrent. 3DSMAX possède un moteur de rendu qui gère la radiosité : c'est-à-dire la manière dont les rayons de la lumière rebondissent et se diffusent sur les faces des objets dans la scène 3D. La radiosité permet des effets de lumières très réalistes mais cette fonction est très gourmande en temps de calcul et n’est pas facile à paramétrer.

Figure n° 10 : Image Quickbird (pixel= 60 cm)

Figure n° 11 : Photographie de moyenne résolution

-Les caméras : Dans le rendu de la scène, la caméra joue un rôle important. La focale et la profondeur de champs (mise au point sur l’objet visé) sont définies par l’utilisateur. Les courbes d’animation de la caméra sont accessibles et modifiables ce qui permet un contrôle total de la trajectoire et du mouvement. Des effets de brouillard, de pluie, de neige ou de fumée peuvent être ajoutés dans la scène 3D. Il faut noter toutefois que la création de la scène 3D (modélisation et textures) et le rendu (éclairage et caméras) demandent un temps de travail et de calcul machine importants. Ce temps est généralement proportionnel à la qualité et au niveau de détail recherché et peut être optimisé si les données et les objectifs ont bien été établis au préalable (modéliser uniquement ce qui doit être vu, optimiser le maillage et les textures, avoir toutes les informations avant de commencer).

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Dans quel but utiliser 3DSMAX : 3DSMAX n’est pas un SIG. 3DSMAX est un outil orienté graphisme, adapté pour la

création de scènes 3D réalistes. Les nombreux outils de modélisation permettent de créer des objets 3D exportables vers les SIG 3D (3DANALYST ET SPACEYES3D). Il permet de réaliser des films de survols, de démonstration ou de simulation qui respectent les règles de la cinématographie (cadrage, profondeur de champs, gestion de l’éclairage).

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3DSMAX

COMPOSITION D’UN FICHIER POSSIBILITES NOTE

Géoréférencement non MNT non Ortho-image et Mosaïques non


Taille image > à 50 méga octets non

Le MNT n’est lisible que s’il est au format VRML

Traitement d’image Seuillage des images. non


non mais… Accepte les formats DXF, TIFF et JPEG.


oui Nombreux formats proposés.

Export 3D VRML. oui Film de survols. oui Images fixes à partir des vues. oui

Export

Viewer ou navigation interactive (mesures et liens hypertextes). non

Donner des attributs aux entités. non Pas de table attributaire. Requêtes. non Mesures de terrain. non


Retoucher la maquette. oui Outils de modélisation 3D. Import d’objets 3D. oui Gestion de la texture et des coordonnées de mapping des objets 3D.

oui

Modification des dimensions des objets 3D. oui

Bibliothèque d’objets 3D. oui

Objets 3D

Retouche des objets 3D. oui Dessin vectoriel. oui

Vecteurs 2D Drapé des couches vecteurs 2D importées sur le MNT. non


oui

Le MNT peut être créé par des méthodes d’interpolations différentes. Raster et Vecteur sont accéptés.

Extrusion négative oui Extrusion des couches de polygones 2d pour représenter des bâtiments.

oui

Extrusion en fonction de l’information de «hauteur» ou d’«élévation» attribuée aux polygones de la couche vecteur.

non Pas de table attributaire.

Différencier la couleur des faces, des toits et des murs extrudés. oui


Différencier la texture des faces, des toits et des murs extrudés. oui

Modification de l’orientation de la lumière. oui Rendu

Ombre portée. oui Programmation Module de création de Scripts. oui

-3DSMAX répond–il aux besoins du laboratoire de TSE ? Cet outil répond parfaitement aux attentes du CEA en terme de qualité visuelle mais absolument pas en matière de géoréférencement des données.

Concernant le réalisme spatial :

3DSMAX n’est pas un SIG. Ce logiciel ne gère pas les bases de données géoréférencées. Dans le cadre d’un suivi de site (évolution, comparaison de plans), il est indispensable d’utiliser un logiciel de type SIG. 3DSMAX ne peut être utilisé qu’en fin de chaîne, une fois l’analyse et le travail de suivi effectué pour améliorer la modélisation et la qualité du rendu 3D.

Il faut noter que l’information de géoréférencement n’est pas accessible sur les films et les images extraites à partir des scènes 3D, que ces scènes soient géoréférencées ou non. Réaliser des films de survols, simulation ou autre démonstration à partir d’images satellites et de plans ne nécessite donc pas obligatoirement d’utiliser des logiciels SIG ou SIG 3D. Toutefois il est nécessaire d’utiliser des logiciels de traitement des données satellitaires pour préparer le MNT (conversion VRML) et optimiser les images (seuillage, redimensionnement et mosaïques) avant de les importer sur 3DSMAX.

Concernant le réalisme visuel : 3DSMAX permet de représenter en volume les infrastructures identifiées sur les

scènes satellites et de calculer des films et des images à partir de la scène modélisée. Chaque projet 3D peut être travaillé dans ses moindres détails, tant dans la modélisation (ajout de face au maillage), dans l’application des textures que dans l’éclairage et la mise en scène. Les images obtenues par le moteur de rendu de ce logiciel peuvent simuler la réalité. 3DSMAX possède les outils adéquats pour réaliser des films de survol de haute qualité permettant de valoriser le travail des analystes lors de la présentation aux personnes intéressées.

Figure n°12 : Interface du logiciel 3DSMAX. 30

3.3 ACQUISITION DE L’INFORMATION DE HAUTEUR EN IMAGERIE OPTIQUE.

3.3.1 CALCUL DE LA HAUTEUR EN FONCTION DE LA LONGUEUR DE L’OMBRE. -Objectifs : Les outils SIG (ici ArcGIS) permettent de cartographier en mode vecteur, les éléments identifiés sur les images satellites. Les structures sont représentées par des polygones, les routes par des lignes, etc. L’extrusion des polygones qui permet de visualiser en 3D ces structures, n’est possible que si les polygones possèdent des informations de hauteur (dans les attributs ou dans les coordonnées des sommets). Paradoxalement, les SIG 3D, conçus pour la visualisation en 3D de ces données, ne proposent pas (actuellement) d’outil de calcul des hauteurs. Une partie de ce stage a donc été dédiée à l’élaboration d’un outil permettant de calculer la hauteur des structures identifiées sur des images satellites. -Principes mathématiques : Pour calculer la hauteur des bâtiments en fonction de la longueur de l’ombre, il faut connaître l’élévation solaire (angle azimutal) et la longueur de l’ombre. La hauteur des bâtiments est calculée selon l’équation suivante :

h=lo*tan(s) Avec: h = hauteur des bâtiments lo = longueur de l’ombre à la direction de l’azimut solaire d’une image ortho-rectifiée.

h s = élévation solaire

s Figure n°13 : Rapport ombre/hauteur

lo

3.3.2 MISE EN PLACE DU PROGRAMME DE CALCUL DES HAUTEURS SOUS IDL -Description générale du programme : Le programme calcule la hauteur à partir de la longueur de l’ombre mesurée sur l’image. En plus de cette fonction de mesure, le programme a été conçu pour lire les informations contenues dans un Shapefile (format d’export standard des couches vectorielles SIG ARCGIS et utilisé par de nombreux logiciels SIG). Les polygones contenus dans le Shapefile sont affichés sur l’image que l’utilisateur a sélectionné pour effectuer la mesure des ombres. Une interface graphique a été créée pour permettre à l’utilisateur de choisir, et voir en surbrillance à l’écran, le polygone de la structure dont il va mesurer la hauteur. Une fois la mesure de hauteur effectuée, le résultat est inscrit dans la table attributaire associée au Shapefile (*. DBF) à la ligne correspondant au polygone sélectionné.

31

-Logiciel utilisé pour la programmation : Le programme a été écrit suivant la syntaxe du langage de programmation orienté objet* IDL. -Description des fonctions principales du programme : L’interface utilisateur a été créée grâce aux outils de construction GUI (General User Interface) proposés par IDL. Le programme s’intègre à l’interface du logiciel ENVI dont il utilise les fonctions et notamment celles dédiées à l’affichage des images et à la création de Région d’Intérêt (ENVI : Overlay>>Region of Interest >>ROI tool). Dans ENVI, l’outil ROI (Région of Interest) permet de créer et d’afficher une ou plusieurs couches vectorielles (point, polyligne ou polygone) sur une image. Cet outil a été utilisé d’une part, pour superposer les polygones du Shapefile sur l’image active et d’autre part, pour définir la longueur de l’ombre portée (lo) par le tracé d’un segment ROI sur l’image. Les fonctions principales du programme élaboré avec le logiciel IDL seront :

-sélection de l’image et du Shapefile. -affichage des polygones du Shapefile sur l’image. -sélection d’un polygone du Shapefile et affichage du polygone sélectionné en surbrillance. -calcul de l’élévation solaire (s) à la date et à l’heure de l’acquisition de l’image et recherche automatique de cette valeur pour les images Quickbird (dans les fichiers *.IMD qui leurs sont associés) par reconnaissance de texte. -mesure de l’ombre et conversion de cette mesure en hauteur (h=lo*tan(s)). -ajout de la valeur calculée à la table attributaire associée au Shapefile pour chaque polygone.

Figure n°14 : Interface du programme de mesure des hauteurs créé avec les outils GUI de IDL.

-Les limites du programme de mesure des hauteurs : La valeur de la hauteur calculée est une approximation de la mesure réelle de la hauteur des structures. En effet, la hauteur mesurée dépend de la précision du tracé du segment de mesure de l’ombre portée. Ce tracé se faisant manuellement, sa précision dépend à la fois des aptitudes de l’utilisateur à distinguer les limites de l’ombre sur les pixels de l’image et sa maîtrise de l’outil ROI. A cela s’ajoute la difficulté de tracer avec précision un segment de la longueur des ombres lorsque l’élévation solaire est importante (plus les ombres portées sont courtes (soleil élevé) plus les probabilités d’erreurs sont importantes), lorsque les polygones sont rapprochés et lorsque le terrain autour de la structure n’est pas plat (le relief déforme l’ombre portée).

32

* La programmation orienté objet combine au sein d'une même structure de données (appelée classe), les opérations et les données.

3.4 CHOIX DE LA CHAINE OPERATOIRE QUI CORRESPOND LE MIEUX AUX ATTENTES DU CEA.

Rappel : les besoins du CEA Le laboratoire de Télédetection et Surveillance de l’Environnement du CEA est chargé d’observer des sites sensibles (activité nucléaire, dégâts matériels après séisme) en se basant principalement sur l’analyse d’images satellites. La représentation tridimensionnelle des scènes satellites a pour but de faciliter l’interprétation et d’améliorer la compréhension de l’organisation de ces sites. Le modèle 3D de la scène doit être réaliste et précis à la fois géographiquement et visuellement. La chaîne de restitution 3D doit se composer d’outils SIG 3D capables:

-d’interpréter et traduire sous forme surfacique les informations de volume contenues dans le MNT (que ces informations soient représentées sous forme vectorielle (courbe de niveau, point coté) ou raster (dégradé de niveau de gris)). -de conserver le géoréférencement des données. -de visualiser, sur le relief modélisé, les mosaïques d’images satellites de haute résolution correspondant à la zone du MNT. -de permettre de représenter en volume et le plus fidèlement possible (formes et matériaux), les infrastructures identifiées sur ces scènes satellites.

-Les outils constituant la chaîne opératoire de restitution 3D : A l’heure actuelle, les outils 3D développés pour les SIG sont principalement des outils d’extrusion de polygones et de visualisation en "3D temps réel" des données géoréférencées. Les SIG 3D ne permettent pas de retoucher le maillage, les textures, ni de modifier l’éclairage des scènes 3D. Le résultat obtenu est souvent très basique : de simples cubes sur un relief numérisé. Toutefois, une visualisation plus complexe des structures n’est pas forcément nécessaire. L’aspect schématique des formes et des couleurs permet une lisibilité rapide des structures qui composent la scène et peut faciliter l’analyse. Le passage à un logiciel de graphisme 3D n’est donc pas obligatoire. Les outils de visualisation 3D proposés par les SIG 3D suffisent pour aider au travail d’interprétation et d’analyse des sites étudiés à partir de données satellitaires. Une fois l’analyse effectuée, il faut transférer les données de cette analyse vers un logiciel qui va permettre d’améliorer leur aspect visuel et rendre la scène plus réaliste. En d’autre terme, l’analyse scientifique des données se fait sur SIG/SIG 3D et le compte rendu public de cette analyse se fait avec un outil de graphisme 3D.

S N

Fig

NB

I

MAGE SATELLITE

ure n°15 : La cha

ENVI Ortho rectificatio

Traitement d’ima

IDL Programmations

Spécifiques. (Mesure de la haute

des structures).

: plus il y a de lo

TRAITEMENTS OBLIGATOIRE

îne opératoire mise en place.

n. ges

ARC GIS Plan des structures

(Shapefile) et Analyse des

données

A

ur

MTe

dEs

R

3D ANALYST

Extrusion Analyse 3D

Export VRML

giciels dans la chaîne, plus la mise a jour des données devient c

OPTIO

3DSMAX

odélisation, xture, Calcul es ombres, thétique, Film de survol. endu Visuel.

Table ttributaire(DBF)

33

ompliquée.

4 TEST DE LA CHAINE OPERATOIRE DE RESTITUTION 3D. 4.1 RESTITUTION 3D DE L’OUEST DE LA VILLE DE BOUMERDES (ALGERIE). 4.1.1 PRESENTATION Le 21 Mai 2003, un séisme de magnitude 6.7Mw sur l'échelle de Richter a secoué le nord de l'Algérie. La secousse principale s'est produite à 19 h 44 (heure locale) et a été suivie immédiatement par de très nombreuses répliques. L'épicentre de ce séisme a été localisé en mer à environ quatre kilomètres de la côte et à 60 Km au nord-est d'Alger (Long. 3.76°E - Lat. 37.02°N).

Figure n°17 : Localisation de Boumerdès, de la faille de Thenia et de l’épicentre du séisme. http://azurseisme.free.fr/seismeAlger.htm -Les objectifs : La restitution 3D de la partie Ouest de la ville de Boumerdès a pour objectif premier de tester la validité de la chaîne de restitution mise en place. Cet exemple permettra de voir quels sont les apports de la 3D en ce qui concerne l’analyse d’images optiques et dans quelle mesure la visualisation en 3D des données peut aider l’interprétation et le suivi de site. La comparaison entre les images avant et après le séisme va nous permettre d’évaluer les changements survenus sur les structures de la ville et les conséquences du séisme.

35

http://azurseisme.free.fr/seismeAlger.htm

-Les données disponibles Suite au séisme, la Charte Internationale « Espace et Catastrophes Majeures » a été appliquée, ce qui a permis d’obtenir des données satellitaires de la zone touchée peu de temps après l’événement. Sur la région de Boumerdès un jeu de données raster avant et après le séisme est disponible. Le délai, entre l’acquisition avant et après de ces images est relativement court (de l’ordre d’une année). Ce jeu de données se compose de trois images Quickbird panchromatiques et multi-spectrales (1, 2, 3, 4) fusionnées :

- Une Image Quickbird avant le séisme datant du 22 Avril 2002 - Une image Quickbird datant du 23 Mai 2003, soit 2 jours après le séisme - Une image Quickbird datant du 18 Juin 2003, soit 26 jours après le séisme

Propriété de chaque image Quickbird : Projection : UTM, Zone 31 N Ellipsoïde : WGS-84 Taille du Pixel : 0,6 m Taille du fichier raster : 553Mo Un MNT de la zone est aussi à disposition. Ce MNT a une résolution de 75 m (taille du pixel =75m).

QUICKIRD Avril 2002 QUICKIRD mai 2003,

QUICKIRD Juin 2003 MNT SRTM

Figure n°17 : Base de donnée raster brutes. 36

4.1.2 ETAPE N°1 DE LA CHAINE DE RESTITUTION 3D : PREPARATION DES DONNEES (ENVI). Avant d’effectuer le plan des structures de la ville de Boumerdès, les images satellites ont été ortho-rectifiées, redimensionnées, puis seuillées. -Logiciel de la chaîne utilisé : ENVI 4.1 (RSI) -Ortho-rectification des données: L’orthorectification des images Quickbird a été effectuée avec le logiciel ENVI et a pris en compte les valeurs d’élévation (Z) contenues dans le MNT. Les images Quickbird 2003 ont ensuite été recalées avec les coordonnées spatiales (UTM et (Z) MNT) des points d’amer pris sur l’image de 2002. -Définition de la zone d’étude (ROI) : Une fois les images orthorectifiées, leurs dimensions ont été réduites à la zone d’étude (coordonnées en degré décimaux : 3.27708 Est / 36.461988 Nord / 3.451840 Ouest / 36.750701 Sud). -Traitement des images : Finalement, les valeurs radio-métriques des pixels de ces images redimensionnées ont été étalées dynamiquement grâce aux outils de seuillage (stretching) du logiciel ENVI. L’étalement dynamique des valeurs radiométriques des pixels permet d’améliorer la lisibilité des images.

QUICKIRD Avril 2002 QUICKIRD mai 2003 QUICKIRD Juin 2003

Figure n°18 : Données raster modifiées. 37

4.1.3 ETAPE N°2 DE LA CHAINE DE RESTITUTION 3D : PLAN DES STRUCTURES (ARCGIS). Les trois images Quickbird à étudier sont superposées dans le logiciel SIG ARCGIS, dans l’ordre chronologique d’acquisition. -Logiciel de la chaîne utilisé : MODULE SIG DE ARCGIS (ESRI) : ARCMAP -Plan des structures occupant le quartier ouest de la ville de Boumerdès en 2002 (Figure n°19 ) : Les fonctions de dessin vectoriel du logiciel nous permettent de cartographier le plan d’occupation de l’ouest de la ville de Boumerdès en 2002 (avant séisme). Les toits des structures identifiées sur l’image Quickbird de 2002 sont représentés par des polygones (en bleu sur la carte).

Figure n°19.

38

-Plan des structures de la partie ouest de la ville de Boumerdès en 2003 (Figure n°20) : La couche vectorielle correspondant au plan des structures de Boumerdès en 2002 est ensuite superposée aux images Quickbird de 2003 (après séisme). Les changements observés entre le plan d’occupation de 2002 et les images de 2003 sont cartographiés sur une nouvelle couche vectorielle dans le SIG (en rouge et Bleu foncé Figure n°20 ). Sur les images de 2003, trois types de changements sont mis en évidence par comparaison avec le plan d’occupation des sols de 2002 (en bleu sur la carte Figure n°20 ) :

- Certaines structures ont disparues. Sur les images de 2003 des déblais apparaissent à l’endroit où se trouvaient des bâtiments en 2002 (rouge sur la carte). - Les déblais autour de certaines structures laissent supposer que ces structures ont subi des dégâts lors du séisme (rayures oranges sur la carte). -D’autres structures qui n’existaient pas en 2002 sont apparues en 2003 (bleu clair).

39

Figure n°20 :

4.1.4 ETAPE N°3 DE LA CHAINE: MESURE DE LA HAUTEUR DES STRUCTURES (IDL/ENVI).

-Logiciels de la chaîne utilisés : ENVI 4.1 et IDL (RSI) -Mesure de la hauteur des structures identifiées sur l’image Quickbird 2002 : Nous allons utiliser le programme créé sous IDL pour mesurer la hauteur des structures en fonction de la longueur de leur ombre portée. Dans l’interface du programme, on choisit l’image sur laquelle va s’effectuer la mesure de l’ombre: Image Quickbird de 2002. Ensuite on sélectionne le Shapefile correspondant à la couche vecteur du plan d’occupation du sol de la ville en 2002. Les polygones du Shapefile apparaissent sur l’image. Pour chaque structure représentée par un polygone, on mesure, à l’aide d’un segment polyligne ROI, la longueur des ombres portées visibles sur l’image Quickbird. La mesure de la longueur permet au programme de calculer la hauteur. Une fois la hauteur calculée, le résultat est inscrit dans la table attributaire du polygone représentant la structure dont on a mesuré l’ombre. -Mesure de la hauteur des structures identifiées sur l’image Quickbird 2003 : On mesure, toujours avec le même programme, la longueur des ombres portées visibles sur les images Quickbird de mai et Juin 2003. Les valeurs de hauteur sont inscrites dans la table attributaire des polygones du Shapefile correspondant au plan des structures identifiées sur les images satellites de 2003. Pour accélérer le processus, les structures ne marquant pas de trace de changement sur les images de 2003 (pas de déblai, pas de changement de forme des toits) n’ont pas été mesurées. -Estimation de la marge d’erreur possible pour chaque hauteur calculée à partir de la mesure de l’ombre sur les images Quickbird: La justesse du calcul de la hauteur dépend en grande partie de la précision du tracé de mesure de l’ombre portée. Ce tracé s’effectuant manuellement, il est prudent de prendre en compte une marge d’erreur de deux pixels correspondant à l’erreur de tracé de début et de fin du segment ROI.

Erreur =2 *pix * tan(s)

Avec: Erreur = hauteur pour un pixel pix = Taille d’un pixel de l’image s = élévation solaire

Pour l’image Quickbird d’avril 2002 : s= 61,4 deg ; pix=0.6m ; Erreur= 2.2 m Pour l’image Quickbird de Mai 2003 : s= 68,3 deg; pix=0.6m ; Erreur= 3,0 m Pour l’image Quickbird de Juin 2003 : s= 68 deg ; pix=0.6m ; Erreur= 2,9 m 4.1.5. ETAPE N°4 DE LA CHAINE DE RESTITUTION 3D : VISUALISATION 3D (3D ANALYST).

-Logiciel de la chaîne utilisé : MODULE SIG 3D DE ARCGIS (ESRI) : 3D ANALYST -Visualisation en 3D des structures de la ville de Boumerdès en 2002 (Figure n°21) : Le MNT, l’image Quickbird 2002 et le fichier vecteur du plan de Boumerdès en 2002 sont ensuite importés dans le logiciel 3D ANALYST. 3D ANALYST traduit en volumes les valeurs de gris composant le MNT raster. L’image Quickbird et le fichier vecteur sont drapés sur le MNT et suivent le relief. Les polygones de la couche vecteur sont extrudés. La hauteur de l’extrusion des polygones est déterminée par la valeur de

40

la hauteur inscrite dans la table attributaire pour chaque polygone (obtenue avec le programme de mesure de hauteur créé avec IDL).

Figure n°21 : Plan 3D de la ville de Boumerdès avant le séisme (logiciel utilisé : 3D ANALYST). -Visualisation en 3D des structures de la ville de Boumerdès en 2003 (Figure n°22) : On ajoute à la scène 3D créée précédemment, le plan des structures de Boumerdès cartographié à partir des images de 2003. Les Polygones extrudés des plans de 2002 et 2003 se superposent les uns aux autres.

41Figure n°22 : Plan 3D de la ville de Boumerdès après le séisme (logiciel utilisé : 3D ANALYST).

La visualisation en 3D des structures permet de mettre en évidence les changements survenus ans la

s de la ville en 2002. 003. Les structures représentées en bleu sont

s structures, les polygones

Fig

ce

d hauteur des structures. En beige (2) : L’état des structureEn orange (4) et en bleu (1) : l’état des structures en 2celles dont la taille a augmenté ou qui sont apparues entre 2002 et 2003. Afin de mettre en valeur les conséquences du séisme de 2003 sur lereprésentant leur état initial avant le séisme (2002) sont légèrement transparents (3).

sé

42

ure n°23 : Superposition des plans 3D de Boumerdès avant et après le séisme ( 3D ANALYST).

On notera en (4) une différence de taille assez légère entre la structure de 2002 (en beige) et lle de 2003 (en orange). Il est fort probable que cette différence de hauteur ne soit pas due au isme mais plutôt à une imprécision dans le calcul de la hauteur.

4.1.6. ETAPE N°5 DE LA CHAINE DE RESTITUTION 3D : FILM DE SURVOL (3DSMAX).

La réalisation du film de survol de la partie ouest de la ville de Boumerdès (1600/600 m) a nécessité la modélisation et le mapping de 150 bâtiments. Les textures drapées sur les faces des polygones sont issues de la bibliothèque de texture fournie avec le logiciel et complétée par quelques photographies de façades trouvées sur Internet ou provenant de ma bibliothèque personnelle. L’éclairage de la scène 3D a été orienté de manière à ce que les ombres portées des bâtiments modélisés coïncident avec celles de l’image satellite drapée sur le MNT.

Les images obtenues à partir de la scène créée avec 3DSMAX sont beaucoup plus détaillées et ont un aspect plus réaliste que celles obtenues avec ARCGIS. Il est important de souligner toutefois que la reconstitution 3D de la scène n’est pas une représentation réaliste de Boumerdès. En effet, ne disposant pas de données photographiques sur les façades des structures de cette ville, les textures de ces façades ont été entièrement créées à partir d’assemblages de photographies présentes dans ma bibliothèque de texture. Seul le sol et les toits des structures, texturés avec l’image satellite correspondant à la zone d’étude, représentent fidèlement la réalité.

Il faut noter aussi que la modélisation, le mapping et le rendu requièrent une certaine maîtrise

du logiciel et un temps d’exécution assez long.

-Différentes vues du modèle de restitution 3D de la ville de Boumerdès avant le séisme de 2003 Le film de survol réalisé avec 3DSMAX est gravé sur le CD-ROM fournit avec ce rapport.

Figure n°24: Restitution 3D de la partie ouest de la ville de Boumerdès avant séisme (3DSMAX 7).

43

Figures n°25 et 26: Modèle 3D de la partie ouest de la ville de Boumerdès après séisme (3DSMAX7).

Figure n°27: Restitution 3D de la partie ouest de la ville de Boumerdès avant séisme (3DSMAX 7). 44

Figure n°28: Restitution 3D de la partie ouest de la ville de Boumerdès avant séisme (3DSMAX 7).

Figure n°29: Restitution 3D du Sud-Ouest de la ville de Boumerdès après le séisme (3DSMAX 7).

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4.2 LIMITES ET APPORT DE LA CHAINE DE RESTITUTION 3D MISE EN PLACE. 4.2.1. LES LIMITES DE LA CHAINE OPERATOIRE DE RESTITUTION 3D. La reconstitution 3D de la ville de Boumerdès a demandé un long travail de préparation des données en amont. Le temps de travail dépend de la superficie de la zone, de la densité des structures à reconstituer et de la maîtrise des outils. La visualisation des données dans le SIG 3D ne prend que quelques minutes mais nécessite une préparation minutieuse de ces données. L’orthorectification des images, la cartographie des structures et la mesure de leur hauteur ont demandé environ sept jours de travail. Le film de survol a été réalisé en une quinzaine de jours. Ces délais, relativement long, sont à prendre en considération dans la planification de futurs travaux Il faut noter que la chaîne de restitution 3D a été conçue pour laisser la liberté à l’utilisateur de réaliser ou non le film de survol. Si pour des questions de temps, de difficultés à prendre en mains le logiciel de graphisme 3D, ou simplement parce que l’utilisateur ne voit pas l’intérêt de réaliser de film de survol de haute qualité de la scène sur laquelle il travaille, il peut néanmoins obtenir une visualisation 3D des données issues du SIG en utilisant uniquement le logiciel de SIG3D.

Logiciel de Programmation et de traitement

d’images.

Logiciel SIG

Logiciel de

Programmation et de traitement d’images.

Logiciel SIG 3D Logiciel de Graphisme 3D

ENVI ARC GIS IDL / ENVI 3D ANALYST

3DSMAX

Orthorectification et traitement des

images.

Cartographie des toits des

structures identifiées sur les

trois images Quickbird.

Mesure de la hauteur des

structures avec le programme créé

sous IDL.

Visualisation en 3D

des trois plans superposé et drapés

sur le MNT. Extrusion des polygones en fonction de la

hauteur attribuée.

Modélisation et

texture des bâtiments.

Eclairage. Création d’un film de survol

de la scène et calcule des images.

1 jour

1 jour/plan (3

jours)

1 jour/plan (3 jours) 2 heures 15 jours

46

4.2.2 LES APPORTS DE LA VISUALISATION 3D A L’ANALYSE DES SCENES SATELLITES. L’évaluation des dégâts à partir de l’analyse d’images satellites est relativement délicate. Dans le cas d’un séisme, il va être facile d’identifier les zones de déblai et les bâtiments dont la forme et/ou la position du toit ont changé ((A) figures n° 30 et n°31). Par contre si la structure s’est simplement affaissée sur elle-même sans marquer de changement dans le toit (C), il sera difficile à l’analyste d’identifier un changement.

Figures n°30 et 31 : du sud-ouest de Boumerdès après le séisme de 2003 (Quickbird).

La visualisation en 3D des données permet de mettre en évidence les changements survenus dans le relief ou dans l’élévation des structures. Les changements qui se produisent dans l’axe de prise de vue de l’image optique sont difficiles à interpréter en imagerie optique. Sur les images de 2003 (figures n° 30 et n°31), la structure (C) ne semble pas avoir été endommagée par la secousse sismique. Sur la scène 3D (Figure n°32), on perçoit mieux que cette structure ainsi que ces deux voisines ((B) et (D)) ont des hauteurs inférieures à celles mesurées en 2002 (en beige transparent).

Orange : État des structures en 200

Beige : État des structures en 200

Figure n°32 : Extrait du plan 3D effectué avec 3D ANALYST.

3

2

47

La superposition dans 3D ANALYST des plans des structures de la ville en 2002 et 2003 permet de comparer la taille de ces structures avant et après le séisme. La comparaison des plans 3D permet de visualiser concrètement quels immeubles ont été fortement endommagés et d’établir une carte plus précise des changements survenus entre 2002 et 2003 (Figure n°35).

AVRIL 2002 MAI 2003 JUIN 2003

Figure n°33 : Bâtiment en cours de construction visible sur les images Quickbird de 2002 et 2003. De même, il n’est pas évident de remarquer l’évolution de la construction du bâtiment Figure

n°33 en se basant uniquement sur l’observation des images satellites. La visualisation en 3D et la superposition des plans des structures de 2002 et 2003 permet de constater que ce bâtiment a augmenté de taille entre 2002 et 2003 (Figure n°34).

En bleu (2) et orange : Plan des structures en juin 2003 En beige (1) : Plan des structures en juin 2002

Figure n°34 : Bâtiment de la figure n°33 reconstitué en 3D avec le logiciel 3D ANALYST (polygones extrudés en fonction de la valeur de hauteur qui leur a été attribuée).

48

49

Figure n°35 :

51

CONCLUSION Le laboratoire TSE est spécialisé dans le traitement et l’analyse des images satellitaires. Il est chargé principalement d’étudier l’environnement et de vérifier l’application du traité d’Interdiction Complète des Essais nucléaires (TICE). Pour suivre l’évolution temporelle et spatiale des sites observés à partir des images satellitaires, les analystes du laboratoire utilisent les Systèmes d’Information Géographique (SIG). La chaîne de restitution 3D a été élaborée pour répondre aux besoins spécifiques des analystes qui désiraient visualiser en 3D les informations issues du SIG et effectuer des films de survols de ces sites pour présenter les résultats de leurs travaux. Non seulement la scène de restitution 3D devait conserver l’accès aux informations de géoréférencement des données, mais la scène devait aussi être enrichie d’objets modélisés et texturés pour lui donner un aspect plus réaliste et produire un rendu visuel de haute qualité du modèle de la scène. Le test des logiciels SIG 3D ‘’3D ANALYST’’ et ‘’SPACEYES 3D’’ a permis de constater que ces logiciels, capables de gérer l’information géographique en 3D, ne possèdent pas d’outils de modélisation et d’éclairage permettant une restitution fidèle et un rendu réaliste du modèle 3D. Pour répondre au besoin de réalisme visuel, la chaîne de restitution 3D a été complétée d’un logiciel spécialisé dans le graphisme et le rendu 3D. La chaîne de restitution 3D se compose de quatre logiciels choisis pour leurs fonctionnalités et leur inter compatibilité. Le premier logiciel intervenant dans la chaîne est spécialisé dans le traitement d’image satellitaire (IDL/ENVI), le second dans la gestion des données géographiques (SIG : ARCGIS), le troisième dans la visualisation en 3D des données issues du SIG (3D ANALYST) et le quatrième dans la réalisation de films de survols et d’images de haute qualité du modèle 3D (3DSMAX). En plus de ces logiciels, un programme spécifique a été créé pour mesurer la hauteur des structures identifiées sur l’image satellite et inscrire cette valeur dans la table attributaire du SIG. Cet outil a été programmé avec IDL et fonctionne avec le logiciel de traitement d’image (ENVI).

Afin de vérifier la validité de la chaîne, la partie ouest de la ville de Boumerdès a été reconstituée en 3D à partir des images satellites optiques acquises avant et après le séisme. Cette application montre que la restitution 3D du site apporte des informations supplémentaires sur le relief et permet de mieux évaluer les dégâts provoqués par le séisme. La visualisation 3D des données issues du SIG est particulièrement utile pour mettre en évidence des changements survenus dans l’élévation des structures. Non seulement les outils de visualisation et de création de modèle 3D permettent à l’analyste de vérifier et confirmer ses interprétations, mais l’aspect réaliste des images créées à partir du logiciel de graphisme 3D valorisent son travail et rendent ses résultats plus convainquant.

La chaîne de restitution 3D remplit les objectifs définis par le laboratoire mais reste toutefois assez complexe à utiliser du fait du nombre important de logiciels devant être maîtrisés par l’utilisateur. En plus de ses compétences en télédétection, la création de la scène et du film de survol 3D demande à l’utilisateur des compétences en graphisme et une certaine expérience des contraintes de production liées à la réalisation de films (mise en scène et montage). Cette chaîne est donc amenée à évoluer en fonction des progrès informatiques car il est fort probable que les logiciels SIG 3D développent leurs outils de création 3D (modélisation et rendu) et intègrent prochainement des utilitaires permettant de mesurer la hauteur des bâtiments. L’amélioration des fonctionnalités des logiciels SIG 3D permettra d’éviter l’utilisation d’un logiciel de graphisme 3D supplémentaire et réduira les temps de production.

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REMERCIEMENTS Merci à Monsieur Meyer et Monsieur Chorowicz pour vos encouragements sans faille ! Merci à toute l’équipe du Laboratoire de Télédétection du CEA pour m’avoir accueillie aussi chaleureusement. Je remercie en particulier Eric H. et Philippe C. pour l’organisation du stage, le suivi et surtout pour avoir eu la bonne idée de commander 3DSMAX et de me proposer ce stage. Je remercie les analystes au régime de la salle Ocapi : Eric H., Philippe G. et Christine L., pour leurs conseils d’analyste bien sûr, mais surtout pour leur entrain, leur intérêt pour la 3D et leurs histoires de loups, de mers et de montagnes. Merci Renaud B. pour les cerises, le café et pour la patience dont tu as fait preuve pour m’apprendre les mystères et les secrets de la programmation sous IDL…Les objets ont-ils une âme ? Merci à Eric T. pour tes conseils de géographe, cartographe et scriptographe. Merci de m’avoir soutenu dans mes efforts pour essayer de convaincre les passionnés de 3D qu’on ne peut pas réaliser « Némo » avec les logiciels SIG 3D. Je remercie tous les bilingues IDL qui m’ont aidé à écrire un programme (qui fonctionne !) : Anne-lise, Sylvain, Brice et Sébastien. Spécial dédicace à papa Robert, moi aussi je peux regarder tes champs depuis le ciel.

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ANNEXES PROGRAMME DE MESURE DE HAUTEUR Sélectionner l’image sur laquelle va s’effectuer la mesure des ombres portées. nameraster = envi_pickfile (title='sélectionnez un fichier raster dans la

liste', filter='*.*')

envi_open_data_file,nameraster,jpeg=jpeg,tiff=tiff,envi=envi,r_fid=fidras

Projection=ENVI_GET_projection(fid=ID_raster,pixel_size=taillePixel,units=un

iteRaster)

Sélectionner le Shapefile contenant les polygones représentant les structures dont on

veut connaître la hauteur. Shapefile = envi_pickfile (title='sélectionnez un fichier shapefile dans la

liste', filter='*.shp')

if (nameshape eq '') then return

Via l’interface, l’utilisateur choisit la colonne des attributs du DBF dans laquelle il va lire et inscrire les valeurs de hauteur: id_col=widget_info(Event.top,FIND_BY_UNAME='WID_DROPLIST_0')

WIDGET_CONTROL,id_col,get_value=list

indexCol_AttribH=WIDGET_INFO(id_col,/droplist_select)

Shapefile -> IDLffShape :: GetProperty, N_ENTITIES= total_poly

Col_hauteur_DBF=(Attributm.( indexCol_AttribH))

id_tableau_interface=widget_info(Event.top,FIND_BY_UNAME='W_tableau',/TABLE_

select)

tableau= [Col_hauteur_DBF ,(findgen(total_poly))]

WIDGET_CONTROL, id_tableau_interface, TABLE_YSIZE= total_poly, set_value

=tableau

Afficher les polygones du Shapefile sur l’image sélectionnée dans la fenêtre ENVI. Afin de faciliter le travail de mesure des hauteurs, il est intéressant d’afficher sur l’image les polygones contenus dans le Shapefile. Dans ENVI, l’outil ROI (Région of Interest) permet de créer et d’afficher une ou plusieurs couches vectorielles (point, polyligne ou polygone) sur une image. Nous allons utiliser l’outil ROI pour superposer les polygones du Shapefile sur l’image. Les coordonnées en UTM (x et y) des sommets de chaque polygone du Shapefile sont obtenues de la manière suivante : polygone = monshapefile->IDLffShape::GetEntity(x)

xUTM=(*ent.vertices)[0,*]

yUTM=(*ent.vertices)[1,*]

Pour créer des ROI de type polygonal à partir des polygones du Shapefile, il faut convertir les coordonnées UTM calculées ci-dessus, en PIXEL : envi_convert_file_coordinates,ID_raster,xpix,ypix,xUTM,yUTM

sommetSHAPE=[xUTM, yUTM]

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La fonction ci-dessous crée un ROI de type « /polygone » à partir des coordonnées pixels (xpix et ypix) des vertices du shapefile: ENVI_DEFINE_ROI,Shapefile2roi,/polygon,xpts=transpose(xf),ypts=transpose(yf)

Les polygones du Shapefile convertis en ROI apparaissent via l’interface « ROI tool » (ENVI : Overlay>>Region OF Interest>>ROI tool) et se superposent à l’image active. Afficher le polygone sélectionné en surbrillance:

A chaque ligne du tableau de l’interface est associé un polygone. Ces polygones sont répartis dans le tableau dans l’ordre de leur identifiant (n_poly). Lorsque l’utilisateur sélectionne une ligne, le polygone correspondant (Num_polySelect) apparaît en surbrillance sur l’image : Num_polySelect=WHERE(sommetSHAPE EQ (Event.sel_top, 2))

sommet_xs=sommetSHAPE(0, Num_polySelect)

sommet_ys=sommetSHAPE(1, Num_polySelect)

On converti ces coordonnées UTM en pixel afin de créer une nouvelle ROI de type polygone dont les sommets sont ceux calculés ci-dessus. Le ROI viendra se superposer au ROI du Shapefile, mais avec une couleur ou un remplissage différent ce qui permettra à l’utilisateur de distinguer le polygone qu’il vient de sélectionner parmi les polygones présents dans le Shapefile : envi_convert_file_coordinates,fidras, sommet_xpix, sommet_ypix, sommet_xs,

sommet_ys

roiBRILLANT=ENVI_CREATE_ROI(nl=nbl,ns=nbc,name='ACTIF',color=9,fill_mode=1)

ENVI_DEFINE_ROI, roiBRILLANT,/polygon,xpts= sommet_xpix, ypts= sommet_ypix

Mesure de la longueur de l’ombre portée (l) :

L’outil de création ROI (ROI Tool) que nous venons d’utiliser pour afficher les polygones du Shapefile va aussi nous servir comme interface de mesure de l’ombre portée. L’utilisateur va tracer une nouvelle ROI (de type polyline) de la longueur de l’ombre (dans l’axe des rayons du soleil). La longueur (l) correspond à la distance entre les sommets les plus éloignés du segment polyline. Les coordonnées des sommets de ce segment étant en pixel, il suffit de multiplier la distance calculée par la taille des pixels de l’image pour obtenir cette valeur en mètre. Coordonnées (colonne/ ligne) des sommets les plus éloignés de la ROI polyligne : index = ENVI_GET_ROI(id_ROIpolyline)

coordROI=[index(0),index(n_elements(index)-1)]

col=v mod nbc

lig=(v-col)/nbc

Distance (d) entre les points d=sqrt( (col(1)-col(0))^2 + (lig(1)-lig(0))^2)

Longueur en mètre du segment ROI polyligne tracé par l’utilisateur : l= d* taillePixel(0) Calcul de l’élévation solaire :

Pour mesurer la hauteur nous avons besoin de connaître la longueur de l’ombre portée (l) mais aussi l’élévation solaire (s) au moment de l’acquisition de l’image. Le calcul de l’élévation solaire se fait avec la fonction : sunelev = ENVI_COMPUTE_SUN_ANGLES (jour, mois, année, Heure_GMT, Latitude,

Longitude)

Pour déterminer l’angle azimutal du soleil à la date d’acquisition de l’image, cette fonction demande en entrée les variables suivantes: jour, mois, année, heure GMT, latitude et longitude. Ces informations

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sont contenues dans les fichiers « textes » fournis avec les images satellites. L’utilisateur doit entrer ces informations dans les emplacements indiqués de l’interface du programme de mesure d’ombre (la latitude et la longitude sont déjà calculées par d’autres fonctions du programme. Ces variables ne sont donc pas demandées à l’utilisateur via l’interface). Afin de faciliter le travail de l’utilisateur, le programme a été conçu pour chercher directement la valeur inscrite à coté du champ ‘SUNelev’ (Sun elevation : élévation solaire) dans les fichiers de type « *.IMD ». Les fichiers « *.IMD » sont des fichiers textes fournis avec les images Quickbird. Ils contiennent des informations concernant le capteur et l’image, dont l’élévation solaire au moment de l’acquisition de la donnée. Lit_param,’fichier.IMD’,’SUNelev’, valeur,/double

s= valeur

Calcul de la hauteur :

(s) étant connu, nous pouvons calculer la hauteur (h) du bâtiment : h=l*tan(s) la valeur de la hauteur est associée aux attributs du polygone.

Le programme va inscrire la valeur de la hauteur dans le fichier *.DBF (table attributaire du Shapefile) à la ligne correspondant au polygone de la structure dont on vient de mesurer l’ombre. Précédemment nous avons calculé les coordonnées des sommets des polygones du Shapefile (pour les convertir en ROI) ainsi que les coordonnées des sommets du segment polyline pour calculer la longueur de l’ombre. Nous allons calculer la distance entre les sommets du segment polyline et les sommets des polygones. La valeur de la hauteur sera associée au polygone situé à la plus courte distance du segment de mesure de l’ombre. Coordonnées du vertex du segment polyline le plus près de l'équateur(y est plus élevé).; abs=valeur absolue : envi_convert_file_coordinates,fidras,col,lig,coordseg_x,coordseg_y,/to_map

y_seg_sud= min(abs(coordseg_y),possud)

x_seg_sud=coordseg_x(possud)

Distance entre le sommet sud du segment ROI et les sommets des polygones du Shapefile. Distance=sqrt((x_seg_sud-sommetSHAPE(0,*))^2 + (y_seg_sud-

sommetSHAPE(1,*))^2)

Recherche de la valeur de distance minimum (min) : Distance_minimum=min(distance,pos) Numéro du polygone dont les vertices sont les plus proches du segment polyline : n_poly=fix(sommetSHAPE (2,pos))

Inscription de la valeur de la hauteur dans la colonne des attributs du DBF : numero_batiment=n_poly

hauteur=h

shapefile->IDLffShape::SetAttributes,numero_batiment, indexCol_AttribH,

hauteur

Sauvegarde et fermeture du Shapefile : monshapefile->IDLffShape::Close

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GLOSSAIRE DXF : Data eXchange Format. Format d'objets 3d, propriétaire à l'origine d'Autocad, reconnu par de nombreux logiciels de 3D. Modèle numérique de Terrain (MNT) : Fichier caractérisé par une continuité spatiale de l’information contenant des points renseignés en altitude par mesure et des points renseignés en altitude par interpolation. Les MNT peuvent être en mode vecteur (topologie TIN) ou en mode raster (le plus fréquent), (ROBIN, 2002). Pixel : Plus petite surface homogène constitutive d’une image numérique, définie par les dimensions de la maille d’échantillonnage (ROBIN, 2002). Point = sommet = nœud = vertex: Forme définie par une seule coordonnées x,y.

Polyligne (polyline) : Forme composée de plusieurs segments ordonnés et connectés. Les connexions entre ces segments sont appelées les sommets de la polyligne. Les points de début et de fin d'une polyligne sont appelés les extrémités.

Polygone (polygon) : Surface formée par une polyligne fermée et composée de trois sommets minimums.

Géocodage : Opération d’attribution de coordonnées ou de composantes géométriques à une information dans une base de données ou un SIG. Géoréférencement : Action de redresser une image dans un référentiel cartographique. Chaque pixel est alors positionné dans ce référentiel (ROBIN, 2002). Radiosité : Calcul du rebond des rayons de la lumière sur les objets dans une scène 3D Raster : Si l’on considère un plan d’information, une grille placée dessus délimite les cellules ou pixels. A chaque cellule on fait correspondre une information numérique. Contrairement au stockage par vecteur, il n’existe pas vraiment de limites à chaque maille. Le format raster est le plus courant pour lire les fichiers images.

Table attributaire : Informations renseignant sur les entités d'une carte et stockées sous forme de lignes et colonnes. Chaque ligne correspond à une seule entité; chaque colonne contient les valeurs d'une seule caractéristique.

Télédétection : Ensemble des connaissances et techniques utilisées pour déterminer des caractéristiques physiques et biologiques d’objets par des mesures effectuées à distance, sans contact matériel avec ceux-ci. Temps réel : [Real Time Processing] - Mode de fonctionnement d’un système de traitement dans lequel les demandes introduites doivent être traitées immédiatement. Le temps doit être très court, afin de permettre une réaction sur le processus en cours dans des délais très brefs. TIN : Triangulated irregular Network. Une structure de donnée vectorielle utilisée pour représenter des models surfaciques. Un TIN partitionne l’espace géographique grâce à un jeu de points irréguliers.

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Chaque point possède une valeur x, y et z. Ces points sont reliés par des segments formant un ensemble de triangles contigus qui ne se chevauchent pas. Système d’information géographique (SIG) : Un SIG est un logiciel qui permet d’organiser d’une façon quasi exhaustive le traitement des données géographiques. Il permet notamment ;

1) la création et la récupération des données sous divers formats, en mode raster et en mode vecteur ;

2) la gestion de ces données (système de gestion de base de données) ; 3) la représentation graphique de ces données (système de cartographie assistée par ordinateur

et DAO) ; 4) l’analyse de ces données par des requêtes attributaires dans la base de données et leur

visualisation graphique ; 5) l’analyse de ces données par des requêtes spatiales ; 6) l’édition des résultats de l’analyse sous forme cartographique (ROBIN, 2002).

SVG : Le SVG est une norme graphique vectorielle basée sur XML et définie par le Consortium W3C. SVG permet l'interactivité (à base d'événements) et le scripting. Chaque élément, chaque attribut et/ou propriété du dessin SVG peut être changé grâce à la structure ouverte du DOM (Document Object Model), la manipulation de la structure permet la suppression et l'addition d'objets. La visualisation des fichiers SVG se fait grâce à un "viewer" développé par la société Adobe qui permet à un navigateur Internet d'afficher un fichier SVG et d'interagir avec celui-ci. http://www.svgopen.org/2002/press_info_sponsoring_f.html Vectorisation : Représentation sous forme de vecteurs (grandeur caractérisée par un ensemble ordonné de scalaire), c'est-à-dire de valeurs (courbes et points). VRML: Virtual Reality Modeling Langage. Langage orienté objet permettant de créer et de manipuler des images en trois dimensions sur Internet.

http://www.adobe.com/svg

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REFERENCES DISPONIBLES SUR INTERNET http://www.gisdevelopment.net/aars/acrs/2000/ts7/gdi011.shtml http://www.onversity.com/cgi-bin/progdico/dic_int1.cgi?Eudo=iTbgteob&Mot=aucunhttp://www.sigale.nordpasdecalais.fr/PRESENTATION/GlossaireGuide.htm TICE http://pws.ctbto.org/treaty/treaty_text.pdfhttp://pws.ctbto.org/press_centre/press_releases.dhtml LOGICIELS http://www.ermapper.com/http://www.geoconcept.com http://www.intergraph.com http://www.gis.leica-geosystems.com/products/imagine/add_ons/virtualGIS.asphttp://www.tetrad.com/vmapper/vm.htmlhttp://www.viewtec.ch/techdiv/terrainview_e.htmlhttp://www.igo.fr/igo.fr/zwook/notreoffre/maquetteevolutivehttp://usa.autodesk.com/adsk/servlet/index?siteID=123112&id=3081357http://www.terrex.com/www/TerraVista.htm http://www.multigen.com/products/3d_gis/sitebuilder/index.shtmlhttp://usa.autodesk.com/http://www.bentley.com/en-US/Products/MicroStation/Overview.htmhttp://www.newtek.com/products/lightwave/index.phphttp://www.alias.com/eng/index_flash.shtmlhttp://www4.discreet.com/3dsmax/ SEISME DE BOUMERDES DU 21 MAI 2003 http://geoazur.unice.fr/EQUIPES/DRO/seisme_algerie_25_05_03/http://www.emsc-csem.org/http://www.emsc-csem.org/Html/ALGER_210503.html 3D http://mylene3D.free.fr

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