Objectifs :
Les objectifs sont de mettre l'utilisateur de bases de données géographiques et environnementales en situation de survol virtuel.
On choisit un plan d'altitude connue et l'utilisateur se déplace virtuellement dans ce plan au dessus d'une base de données géographiques et environnementales. Depuis son altitude de vol, l'utilisateur observe la base de données sous l'angle de vision qui lui convient. On peut à tout moment modifier l'altitude du survol virtuel, mais à la différence d'un simulateur de vol, il y a indépendance entre la direction dans laquelle on observe et la direction dans l'espace vers laquelle on se dirige.
Dans une application donnée et pour la même base terrain plusieurs textures correspondant à plusieurs informations environnementales différentes sont pré-chargées et on peut instantanément, en cours de vol, passer d'une texture à une autre.
Enfin, l'utilisateur n'est pas simplement mis en situation d'observateur : il peut faire des interrogations ponctuelles de la base de données géographiques.
Des exemples d'application :
Plusieurs familles d'applications ont été réalisées couvrant différents messages environnementaux, des bases de données de taille et de résolution variable.
1 - Survol virtuel de l'Europe : la base de données est construite à partir d'un Modèle Numérique de Terrain à pas de 500 mètres et d'une texture de 8192 x 8192 textels de 500 mètres de côté. A partir du MNT d'environ 64 millions de mailles, une base terrain d'environ 600 000 facettes est générée en mettant en oeuvre les techniques de Level of Detail et Active Surface Definition décrites plus loin. Cette base de données est dans le système de projection géographique Corine Lambert Azimuthal de la Communauté Européenne.
Message géographique et environnemental : la géographie de base de l'Europe (image 1), ses principaux réseaux hydrographiques et ses grands bassins versants.
image 1 : vue vers le Nord depuis un point situé
en Méditerranée (Les Alpes, à l'arrière
plan à gauche la Mer du Nord, au centre la Scandinavie, à
droite la Mer Baltique) ;
(version plus détaillée de
l'image 1 : 162 Ko)
2 - Survol virtuel de la France : la base de données est construite à partir d'un Modèle Numérique de Terrain à pas de 250 mètres et de plusieurs textures de 4096 x 4096 textels de 250 mètres de côté. Cette base de données est dans le système de projection géographique Lambert II étendu.
Sur la partie Ouest de la France plusieurs messages environnementaux sont détaillés : les 94 bassins versants de plus de 2000 ha de la Bretagne ; la pollution azotée : agrégation des bilans d'azote par bassins versants, modélisation de la concentration en azote dans les réseaux hydrographiques.
3 - Survol virtuel du bassin versant du Loc'h (bassin versant de 30 000 ha environ qui se jette dans la partie occidentale du Golfe du Morbihan au niveau d'Auray) : la base de données est construite à partir d'un Modèle Numérique de Terrain à pas de 20 mètres. La texture est constituée d'une image SPOT panchromatique de 4096 x 4096 textels de 10 mètres de côté ajoutée à une image couleur de 1024 x 1024 textels de 40 mètres de côté. Cette base de données est dans le système de projection géographique Lambert II.
Message géographique et environnemental : le bassin versant du Loc'h et son découpage en sous bassins versants conformément à un réseau de points de suivi de la qualité des eaux. Visualisation du réseau hydrographique modélisé par traitement de MNT, de l'extension des zones hydromorphes de bas-fonds, siège de processus de dénitrification (Rôle des zones hydromorphes de bas-fonds sur les transferts de pesticides et de métaux lourds) et des zones de pentes fortes qui sont des zones à risque en terme de ruissellement d'azote, de phosphore et de pesticides (images 2 , 3, 4 et 5).
image 2 : vue du bassin du Loc'h depuis un point
situé à proximité de l'éxutoire du bassin versant
: vue vers le Nord. La texture est constituée d'une image en niveaux
de gris SPOT panchromatique de 4096x4096 textels de 10 m de côté
à laquelle est ajoutée une image couleur de 1096x1096 textels
de 40 m de côté. Sur cette image couleur on voit les contours
des bassin versants et sous bassins versants (représentés
en noir), le réseau hydrographique (représenté en
bleu), les zones hydromorphes de bas-fonds (représentées
en bleu clair), les zones de pentes fortes (>7% représentées
en orange, comprises entre 5 et 7% représentées en jaune);
(version plus détaillée de
l'image 2 : 264 Ko)
image 3 : vue du bassin versant du Loc'h en remontant
vers le Nord et en se dirigeant vers les Landes de Lanvaux ;
(version plus détaillée de
l'image 3 : 247 Ko)
image 4 : vue du bassin versant du Loc'h en remontant
vers les Landes de Lanvaux , à gauche l'animation graphique qui
permet de réaliser des interrogations ponctuelles ;
(version plus détaillée de
l'image 4 : 228 Ko)
image 5 : du même point de vue, avec l'animation
graphique et la fenêtre d'affichage des résultats de l'interrogation
ponctuelle ;
(version plus détaillée de
l'image 5 : 232 Ko)
4 - Survol virtuel de la partie aval du bassin versant de l'Aulne dans la région de Chateaulin: la base de données est construite à partir d'un Modèle Numérique de Terrain à pas de 20 mètres. La texture est constituée d'une image couleur de 1024 x 1024 textels de 20 mètres de côté. Cette base de données est dans le système de projection géographique Lambert II.
Message géographique et environnemental : l'occupation du sol qui est visualisée par la texture a été obtenue par traitement d'images satellitaires. On distingue les parcelles de céréales, de maïs, de prairies, de bois, le réseau bocager de grande largeur. Les parcelles de maïs sont de plus visualisées en quatre classes de risque relativement à la contamination des eaux par les pesticides. Cinq facteurs de risques parcellaires ont été pris en compte : la distance de la parcelle au réseau hydrographique, la pente de la parcelle, la longueur de la parcelle dans le sens de la pente, la protection aval par une zone concave, la protection aval par une culture minimisant le ruissellement. Ces cinq facteurs de risque sont combinés par une méthode hiérarchique de rang pour obtenir une note de risque finale (image 6, 7 et 8).
image 6 : vue du bassin versant de l'Aulne dans la
région de Chateaulin (image SPOT panchromatique à résolution
de 10 mètres). On peut observer les méandres de l'Aulne,
la route à quatre voies Quimper-Brest, plus au loin la ville de
Chateaulin ;
(version plus détaillée de
l'image 6 : 160 Ko)
image 7 : vue du bassin versant de l'Aulne dans la
région de Chateaulin (l'occupation du sol apparait sous forme d'une
texture constituée de pixels couleur de 20 mètres). Une interrogation
ponctuelle est réalisée sur une parcelle : il s'agit d'une
parcelle de maïs (occupationdu sol = 1) à faible risque de
contamination des eaux par les pesticides (rang de risque SIRIS faible
= 35) et visualisée en orange clair.
(version plus détaillée de
l'image 7 : 250 Ko)
image 8 : vue du bassin versant de l'Aulne dans la
région de Chateaulin. Une interrogation ponctuelle est réalisée
sur une parcelle : il s'agit d'une parcelle de maïs à fort
risque de contamination des eaux par les pesticides (rang de risque SIRIS
très élevé = 128) et visualisée en rouge.
(version plus détaillée de
l'image 8 : 250 Ko)
5 - Survol virtuel du bassin versant de Chèze-Canut : la base de données est construite à partir d'un Modèle Numérique de Terrain à pas de 20 mètres. La texture est constituée d'une image couleur de 4096 x 4096 textels de 2,5 mètres de côté. Cette base de données est dans le système de projection géographique Lambert II. La texture a été construite à partir d'une mosaïque d'images aériennes numérisées à la résolution de 2,5 mètres (images 9, 10, 11 et 12). (travaux réalisés par M. Hervé Nicolas, ENSAR)
image 9 : vue du bassin versant de Chèze-Canut
en regardant vers l'Est. La texture est constituée à partir
d'une composition colorée d'une mosaïque d'images aériennes
numérisées avec une résolution de 2,5 m au sol. (Le géocodage et le mosaïquage des images aériennes a été réalisé par M. Hervé Nicolas, maître de conférences à l'ENSAR)
(version plus détaillée de
l'image 9 : 141 Ko)
image 10 : même point de vue sur le bassin
versant de Chèze-Canut. La texture est constituée par la
somme de deux images : une image couleur à résolution de
20 mètres fournissant une information sur le degré d'hydromorphie
des sols (indicateur de la durée de l'engorgement ou d'anoxie des
sols) représenté du jaune au bleu selon l'intensité
de l'hydromorphie et une image en niveau de gris à résolution
de 2,5 mètres provenant de la mosaïque d'images aériennes
précédentes.
(version plus détaillée de
l'image 10 : 131 Ko)
image 11 : vue du bassin versant de Chèze-Canut
en s'approchant barrage de la Chèze qui sert à l'alimentation
en eau de l'agglomération rennaise. La texture est constituée
à partir d'une composition colorée d'une mosaïque d'images
aériennes numérisées avec une résolution de
2,5 m au sol.
(version plus détaillée de
l'image 11 : 115 Ko)
image 12 : même point de vue sur le bassin
versant de Chèze-Canut. La texture est constituée par la
somme de deux images : une image couleur à résolution de
20 mètres fournissant une information sur le degré d'hydromorphie
des sols (indicateur de la durée de l'engorgement ou d'anoxie des
sols) représenté du jaune au bleu selon l'intensité
de l'hydromorphie et une image en niveau de gris à résolution
de 2,5 mètres provenant de la mosaïque d'images aériennes
précédentes.
(version plus détaillée de
l'image 12 : 113 Ko)
Message géographique et environnemental : les bassins versants de la Chèze et du Canut. La première texture est une composition colorée reconstituant l'aspect visuel de la réalité terrain. La deuxième texture montre l'occupation du sol : céréales, maïs, prairies, bois, minéral.
Applications à de vastes bases de données géographiques et environnementales :
L'un des objectifs de ces simulations numériques est de pouvoir survoler des bases de données géographiques et environnementales de grande dimension et d'un seul tenant. Nous avons réalisé des tests sur des textures atteignant 256 millions de textels (base de donnée de 160 km par 160 km en utilisant des images dont la résolution est de 10 mètres au sol) ; des textures encore plus grandes peuvent être manipulées.
En ce qui concerne la base terrain : pour les différentes applications que nous avons réalisées sur des données de la région Bretagne, nous sommes partis du Modèle Numérique de Terrain de la Bretagne à résolution de 20 mètres (environ 135 millions de mailles).
Que ce soit pour la base terrain ou pour la texture des techniques d'optimisation doivent être mises en jeu.
Mise en forme de la base terrain à partir d'un Modèle Numérique de Terrain :
Pour obtenir de grandes performances d'affichage 3D, en temps réel dans des applications de survol virtuel, il faut d'une part disposer de machines extrêmement performantes mais il faut aussi d'autre part mettre en oeuvre toute une panoplie de méthodes d'optimisation. Ces méthodes d'optimisation concernent aussi bien la base terrain (la description du relief) que l'affichage des textures.
Concernant la gestion de la base terrain : on met en oeuvre des techniques d'optimisations statiques et dynamiques (dépendant de la position de l'observateur par rapport au terrain). Les étapes de la préparation de la base terrain sont les suivantes : à partir du MNT à mailles carrées (fig. 1A), on produit d'abord une description du terrain sous forme de facettes (fig. 1B). Ensuite les techniques d'optimisation sont mises en oeuvre. L'optimisation statique consiste à décrire la base terrain avec des facettes d'autant plus petites que le relief est accentué : les plus petites facettes correspondent à la résolution du MNT la plus fine dont on dispose (20 mètres dans notre cas pour le MNT de la Bretagne). Dans les zones planes ou à faible relief, l'information non pertinente est abandonnée pour ne gérer que des facettes plus grandes de 40, 80 mètres de côté, ou tout multiple de la résolution maximale par une puissance de 2. C'est la technique des Levels of Detail (LOD) (fig. 1C).
L'algorithme du modeleur que nous avons développé repose sur la recherche dans le MNT du noeud du MNT le plus éloigné des facettes triangulaires déjà définies. L'éloignement pris en compte est pondéré par 2LOD, LOD étant le Level of Detail de la facette où un noeud se projette.
L'optimisation dynamique appelée Active Surface Definition (ASD) consiste à afficher un niveau de détail en fonction de la distance entre l'objet et l'observateur. Au loin, on n'affichera que le niveau de détail le plus faible. Au près, on affichera le niveau de détail le plus élevé disponible. On passe de façon continue d'un niveau de détail donné au niveau de détail suivant par transformation continue de l'image (morphing) (fig. 1D et 1E). Les Active Surface Definition (ASD) sont gérées sous forme d'arbre : une facette de niveau (ou level) 1 "pointe", si le relief du terrain le justifie, sur quatre facettes de niveau 2 qui elles-mêmes "pointent", si le relief du terrain le justifie, sur quatre facettes de niveau 3 et ainsi de suite (voir la figure 2 qui détaille un exemple de 2 mailles de 160 m de côté, divisées en 4 facettes de niveau 1 et 40 facettes de niveau 4 dont les plus petites atteignent la résolution maximale du MNT, c'est-à-dire 20 mètres). A une distance donnée de l'observateur on choisit d'afficher un niveau de résolution (par exemple le niveau 2). Le terrain est alors affiché au niveau de résolution le plus élevé (inférieur ou égal au niveau 2) permis par l'arbre qui gère le Level of Detail. Quand l'observateur s'approche on affiche le niveau de détail suivant.
Mise en forme des textures :
Pour l'optimisation de l'affichage des textures (fig. 1F), des techniques du même type sont mises en oeuvre : la texture est tuilée et des tuiles de résolution variables sont préparées et pré-chargées : des tuiles à résolution maximale (un pixel image pour un pixel écran) et des tuiles à résolution dégradée (quatre pixels images pour un pixel écran et ainsi de suite).
Il est intéressant de remarquer que plus les techniques de réalité virtuelle évoluent plus le format des données évolue et s'éloigne des formats classiques utilisés en traitement d'images et en systèmes d'informations géographiques : des formats de plus en plus évolués sont mis en oeuvre dans l'objectif d'améliorer les performances informatiques et les performances en affichage.
Ce thème a commencé à être développé depuis un an, date à laquelle nous avons été équipés dans le domaine de la réalité virtuelle. Nous devrons sans aucun doute continuer à travailler sur ce thème compte tenu de la nécessité de la mise en oeuvre de techniques d'optimisation de plus en plus sophistiquées.
Interrogations ponctuelles de la base de données géographiques :
L'objectif de cette fonctionnalité est d'établir une interaction entre le logiciel de survol virtuel et les bases de données géographiques et environnementales qui sont disponibles sur la zone survolée. L'utilisateur ne sera plus alors dans la simple situation d'un observateur mais pourra interroger ponctuellement la base de données pour connaître les valeurs d'un certain nombre de variables.
Cette interaction est obtenue par l'intermédiaire d'une petite animation graphique : un missile est tiré depuis le point où est survolée la base géographique : ce missile permet de récupérer les coordonnées géographiques de la cible et par là d'accéder à la base de données géographiques : les valeurs des variables sont affichées simplement dans une fenêtre alpha-numérique.
Le nombre de variables renseignées dans une base de donnée géographique pouvant être très élevé, les variables que l'on souhaite afficher dans l'application de survol virtuel sont simplement identifiées par un drapeau spécifique.
Equipement :
Cette application est réalisée sur un calculateur Onyx2 Infinite Reality de Silicon Graphics doté de 512 Mo de mémoire et d'un raster manager de 64 Mo. Le calculateur est relié à un vidéo-projecteur Barco 808S pour projection sur un grand écran dans une salle pouvant recevoir une vingtaine de personnes. L'évolution vers la vision-stéréoscopique est en cours.
Originalité de l'application :
Cette utilisation de la réalité virtuelle est une première au niveau européen et sans doute mondial dans le domaine de l'environnement et de l'information géographique.
Mots clefs : réalité virtuelle, survol virtuel, SIG, MNT, modélisation spatiale, réseaux hydrographiques, bassins versants, zones hydromorphes de bas-fonds, bilan d'azote, indice de risque, contamination des eaux, pesticides.
