Modélisation 3D-BIM de l'environnement et simulation numérique: Constructibilité et application à l'étalement urbain

par Mojtaba Eslahi

Projet de thèse en Sciences et Technologies de l'Information Géographique

Sous la direction de Anne Ruas.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de MSTIC : Mathématiques et Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication , en partenariat avec LISIS - Laboratoire instrumentation, simulation et informatique scientifique (laboratoire) depuis le 28-10-2016 .


  • Résumé

    Au cours de ces dernières années, les administrations publiques, les villes et les entreprises ont montré un grand intérêt dans la construction de modèles virtuels de villes en 3D, et ce pour différents usages : la communication, la gestion des patrimoines urbains, les projets d'urbanismes, d'implantation ou de simulations ﴾bruit, pollution, changement climatique, inondation, étalement urbain,…﴿, etc. L'urbanisation et plus particulièrement l'étalement urbain induit des changements souvent irréversibles. Elle impacte la biodiversité, les écosystèmes et le climat urbain, transforme les paysages, dégrade les espaces agricoles et naturels qui se réduisent inexorablement. Le suivi et la maîtrise de l'artificialisation des territoires représentent ainsi un enjeu important pour les collectivités territoriales qui se trouvent confrontées aux objectifs transversaux du développement durable et à une demande sociétale pressante en matière d'environnement. La modélisation de la ville est à l'intersection de deux domaines : ﴾i﴿ celui de l'architecte qui modélise un nouveau projet de bâtiment ou d'infrastructure, pour l'insérer dans un site et le construire, et d'autre part ﴾ii﴿ la personne chargée de modéliser tous les éléments d'un site urbain, y compris les bâtiments. D'un côté, le monde du BIM ﴾Building Information Modeling﴿ voit les SIG comme un moyen de concevoir et d'intégrer les données du BIM dans un environnement spatial, et de l'autre côté, le BIM est considéré comme une source de données primordiale pour la construction des environnements par les utilisateurs de SIG. A notre connaissance, il n'existe malheureusement pas, à l'heure actuelle, de normes ni d'outils permettant de modéliser à la fois les espaces extérieur et intérieur d'un environnement urbain complet en 3D, tout en gardant la possibilité d'avoir des maquettes numériques sémantiquement riches. De nombreuses études faisant appel à diverses approches de modélisation et d'outils de simulation plus ou moins complexes ont été réalisées dans le domaine de l'étalement urbain. Une multitude de modèles, présentant des caractéristiques communes ou spécifiques, a été développée pour reconstruire spatialement les changements d'occupation et d'usage des sols. On peut distinguer 2 grandes familles de modèles d'expansion urbaine : les modèles économiques basés sur l'interaction usage du sol‐transport et les modèles spatiaux, plus précisément les modèles de changements d'occupation et d'usage des sols. Une autre classification permet de distinguer 2 types de modèles de simulation : process‐based versus pattern‐based modèles. Malgré toutes ces recherches, la place de la modélisation dans le processus de planification et de prise de décision n'en est qu'à ses débuts. Parmi tous les modèles dynamiques et spatialement explicites, ceux basés sur les automates cellulaires sont les plus répandus pour leurs applications en milieu urbain. Ceci s'explique notamment par le caractère spatialement explicite et dynamique des automates cellulaires, et par l'intégration aisée des classifications issues des données de télédétection dans ces modèles. C'est le cas du modèle SLEUTH dédié à la simulation dynamique de l'expansion urbaine que l'on veut adapter pour la modélisation 3D de l'environnement urbain. Les résultats escomptés de cette thèse devraient faciliter, sans perte d'information sémantique, l'intégration de l'ouvrage ﴾bâtiment ou infrastructure﴿ dans son environnement en vue de pouvoir effectuer des simulations ﴾pollution de l'air, inondation, étalement urbain, consommation énergétique, évaluation environnementale,...﴿ plus pertinentes, et intégrer l'ensemble des résultats ﴾résultats de simulation, plans de secours,...﴿ dans la maquette numérique pour constituer un outil de représentation 3D, de mise en relation et d'aide à la décision à destination des scientifiques et des autorités en charge de la prévention des risques par l'aménagement urbain et la gestion de crise.

  • Titre traduit

    3D modeling and simulation environment: Constructability and urban growth application


  • Résumé

    In recent years, governments, cities and companies have shown great interest in building virtual models of cities in 3D, for different purposes: communication, management of urban heritage, the urban planning projects, implementation or simulation (noise, pollution, climate change, flooding, urban growth ...), etc. Urbanization and particularly urban growth often induces irreversible changes. It impacts biodiversity, ecosystems and urban climate, transforms landscapes, degrade agricultural and natural areas are reduced inexorably. Tracking and control of artificial territories represent an important challenge for local authorities that are faced to transversal objectives of durable development and a pressing societal demand in Environmental Matters. The modeling of the city is at the intersection of two domains: (i) that of the architect who models a new project of building or infrastructure, for insertion into a site and build it, and secondly (ii) the person responsible for modeling all elements of an urban site, including buildings. On one hand, the world of BIM (Building Information Modeling) sees GIS as a way to design and integrate data of BIM in a space environment, and on the other side, the BIM is considered a source of primary data for the construction of environments for GIS users. To our knowledge, it unfortunately does not exist at present, standards or tools for modeling both the exterior and interior spaces of a complete urban environment in 3D, while keeping the possibility of have digital models semantically rich. Many studies using various modeling approaches and simulation tools of varying complexity have been made in the field of urban sprawl. A multitude of models, with common or specific features, was developed to spatially reconstruct the occupation and changes in land use. We can distinguish two main types of urban expansion models: economic models based on the interaction use of the land-transportation and spatial models, specifically the occupation change models and land use. Another classification distinguishes two types of simulation models: process-based versus pattern-based models. Despite all this research, the place of modeling in the planning process and decision-making is still in its infancy. Among all dynamic models and spatially explicit, those based on cellular automata are the most common for their applications in urban areas. This can be especially explained by the spatially explicit character and dynamic of cellular automata, and easy integration of classifications from remote sensing data in these models. This is the case of the model SLEUTH dedicated to the dynamic simulation of urban expansion that is to be adapted for 3D modeling of the urban environment. The expected results of this work should facilitate, without loss of semantic information, the integration of the work (building or infrastructure) in its environment in order to be able to perform simulations (air pollution, flooding, urban sprawl, energy, environmental assessment, ...) more relevant, and integrate all results (simulation results, emergency plans, ...) in the digital model to create a 3D representation tool, of linking and decision support to scientists and authorities in charge of risk prevention through urban planning and crisis management.