Des données 3D pour les architectes, urbanistes et paysagistes

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Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg Mémoire de soutenance de Diplôme d'Ingénieur INSA Spécialité TOPOGRAPHIE Des données 3D pour les architectes, urbanistes et paysagistes Présenté en Septembre 2011 par Cédric MINERY Réalisé au : Service de la Mensuration Officielle (SEMO) Quai du Rhône 12 1205 Genève Directeur de PFE : Correcteurs : M. Laurent NIGGELER M. Emmanuel ALBY Directeur SEMO M. Mathieu KOEHL
  • flux de piétons et de voitures
  • service de la mensuration officielle
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  • modélisation du territoire
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Publié le : mercredi 28 mars 2012
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Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg


Mémoire de soutenance de Diplôme d’Ingénieur INSA
Spécialité TOPOGRAPHIE


Des données 3D pour les architectes, urbanistes et
paysagistes




















Présenté en Septembre 2011 par Cédric MINERY

Réalisé au : Service de la Mensuration Officielle (SEMO)
Quai du Rhône 12
1205 Genève

Directeur de PFE : Correcteurs :
M. Laurent NIGGELER M. Emmanuel ALBY
Directeur SEMO M. Mathieu KOEHL Cédric MINERY Septembre 2011
Des données 3D pour les architectes, urbanistes et paysagistes

REMERCIEMENTS



Je tiens à remercier toutes les personnes sans qui ce projet
n’aurait pas pu avoir lieu :
M. Laurent NIGGELER, mon directeur de PFE, pour m’avoir
fait confiance et m’avoir accueilli au SEMO pour ce projet. J’en
profite pour remercier l’ensemble des personnes du Service pour
leur accueil, et tout particulièrement Henrich DURIAUX pour ses
conseils et sa bonne humeur, Pepito LOPEZ pour son enthousiasme
vis-à-vis de mon travail ainsi que Geoffrey CORNETTE (promotion
INSA topographie 2010) pour son accompagnement tout au long
du projet.
Tous les membres de l’équipe de travail, architectes,
urbanistes, paysagistes et qui m’ont tout d’abord accueilli sur leurs
lieux de travail respectifs, avant de s’impliquer dans le projet et de
participer aux réunions de suivi. Sacha KORTUS, pour sa
motivation et ses tests, M. Christian HALLER et M. Thierry
SANGOUARD pour leurs aides et leurs conseils. M. Gérard-André
KOHLER, Rachel et Guillaume (promotion INSA topographie 2006)
pour leurs investissements et tests de données qu’ils ont réalisé.
Mme Myriam PIGUET pour son intérêt dans mon projet et sa
motivation.
M. Claude VUATTOUX, développeur du logiciel RhinoTerrain
pour sa disponibilité et son enthousiasme pour le projet, ainsi que
pour tous les rendus qu’il a réalisés.
Je remercie également toutes les personnes ayant
participé de près ou de loin à ce projet et que j’aurais oublié.
Et toutes les personnes qui ont cru en moi et m’ont
accompagné tout au long de mon travail.
Cédric MINERY Septembre 2011
Des données 3D pour les architectes, urbanistes et paysagistes

TABLE DES MATIERES
I. Introduction ..................................................................................................... 1
1.1. Contexte de l’étude ............................................................ 1
1.2. Présentation du service ...................................................... 2
II. Etat de l’art...................................................................... 2
2.1. Genève et le SEMO ............................................................. 2
2.1.1. Socle 3D du Canton de Genève ............................................................ 2
2.1.2. Utilisations et réalisations .................................... 4
2.1.3. Projet architectural .............................................. 6
2.2. Autres exemples de SIG 3D dans le monde .......................... 7
2.2.1. France et Europe .................................................................................. 7
2.2.2. Le salon IMAGINA ................................................ 9
2.3. Formats numériques et logiciels ........ 10
2.3.1. SIG 3D pour le SEMO .......................................................................... 10
2.3.2. CAO 3D pour les architectes, urbanistes et paysagistes .................... 11
2.3.3. Nouveaux formats et conversions ..................................................... 14
III. Définition du problème .................................................................................. 16
3.1. Orientation du projet dans son contexte général ............... 16
3.1.1. Analyse bibliographique ..................................... 16
3.1.2. Données du SEMO. ............................................. 18
3.2. Etudes des attentes et besoins à Genève ........................... 18
3.2.1. Les architectes .................................................................................... 18
3.2.2. Les urbanistes et les paysagistes ........................................................ 20
3.2.3. Création d’une équipe de travail 21
3.3. Synthèse des attentes et solution envisagée ...................................................... 21
3.3.1. Aspect technique................................................ 21
3.3.2. Aspect administratif ........................................... 23
IV. Mise en œuvre et réalisations ........................................ 24
4.1. Prototype initial ............................................................... 24
4.2. Zone région ...................................... 25
4.2.1. MNT .................................................................................................... 25
4.2.2. Bâtiments ........................... 28
4.3. Zone projet ....................................................................................................... 30
4.3.1. Modèle Numérique de Rue (MNR) .................... 30
4.3.2. Bâtiments ........................... 37
4.4. Géotraitements complémentaires ..................................................................... 38
4.4.1. Edition du Terrain ............................................... 38
4.4.2. Photos aériennes et images satellites ................ 39
4.4.3. Habillage ............................................................................................................................. 41
Cédric MINERY Septembre 2011
Des données 3D pour les architectes, urbanistes et paysagistes

4.5. Echanges et interopérabilité ............................................................................. 42
4.5.1. Paramètres d’échange ....................................... 42
4.5.2. Logiciels utilisés .................................................. 43
4.5.3. Poids des données .............................................. 46
V. Résultats et validation ................... 47
5.1. Résultats possibles avec le socle urbain 3D ........................................................ 47
5.2. Validation de la solution ................................................... 50
5.2.1. Validation avec les différents acteurs ................................................................................ 50
5.2.2. Analyse de précision .......... 51
VI. L’aspect administratif et politique .. 54
6.1. Les procédures administratives ......................................................................... 54
6.1.1. Les autorisations de construire .......................... 54
6.1.2. Les concours d’architecture ............................... 55
6.1.3. Formats de présentation .................................................................................................... 56
6.2. Les enjeux politiques ........................ 57
6.3. Valorisation de l’utilisation de la 3D .................................................................. 57
6.3.1. La fiche d’information ........................................ 58
6.3.2. Le dépliant .......................................................................................... 58
VII. Conclusions et perspectives......................................... 59

Table des illustrations ............................................................................................ 61
Table des tableaux ................................. 62
Sommaire des annexes ........................... 62
Bibliographie ......................................................................................................... 63
Liste des abréviations ............................. 65








Cédric MINERY Septembre 2011
Des données 3D pour les architectes, urbanistes et paysagistes

I. INTRODUCTION
1.1. Contexte de l’étude
Les techniques de modélisation 3D deviennent de plus en plus efficaces et intéressent
toujours plus de monde dans des domaines d’activités extrêmement variés, allant des activités
commerciales comme le cinéma depuis peu ou les jeux vidéo, jusqu’aux activités de
représentations du territoire et de l’environnement nous entourant.
Ainsi, de nombreuses villes, plus ou moins grandes, se munissent de maquettes
numériques plus ou moins détaillées. De telles maquettes représentent tout d’abord des vitrines
technologiques et touristiques pour ces villes, permettant de s’y balader interactivement ou de
repérer certains endroits avant même de s’y rendre. En matière d’urbanisme et d’architecture,
les avantages de telles maquettes peuvent paraitre évidents. La représentation
tridimensionnelle est en effet devenue un réel outil décisionnel pour l’urbanisme et
l’aménagement du territoire. Il s’avère aujourd’hui que la représentation en 2 dimensions, même
accompagnée de coupes, ne suffit plus toujours pour comprendre le paysage urbain existant ou
les projets futurs. Les maquettes 3D permettent donc de visualiser les projets architecturaux,
mais aussi de les insérer dans leurs environnements, facilitant ainsi la compréhension, la
concertation entre pouvoirs publics et donc la prise de décision.
Cette perspective d’urbanisation réfléchie et maitrisée a très vite intéressé le Service de la
Mensuration Officielle (SEMO) de Genève qui fut parmi les précurseurs dans la création d’un
modèle numérique 3D complet d’une telle envergure, soit environ 76 000 bâtiments sur plus de
2245 km . Ce socle 3D est composé du modèle numérique de terrain drapé d’orthophotos, des
bâtiments en 3D, d’une couche végétation avec les principaux arbres et de nombreux ponts et
ouvrages d’arts.
Toutes ces données sont disponibles pour les professionnels de la construction, mais ne
sont malheureusement que trop peu utilisées { ce jour, malgré tous les avantages qu’elles
pourraient amener. Il s’agit donc de réaliser une analyse détaillée des besoins des professionnels
de l’aménagement du territoire en termes de données 3D, de comprendre pourquoi ces données
ne sont que si peu utilisées et d’y apporter des solutions. Il faudra définir les géotraitements {
appliquer aux données existantes, les compléments éventuels aux données à fournir et réfléchir
{ un prototype de jeu de données prêtes { l’emploi (formats numériques d’échange, contenu,
utilisations…).
Ce rapport présente donc toutes les étapes de ce Projet de Fin d’Etudes (PFE), de l’état de
l’art sur les données tridimensionnelles dans le monde et { Genève, en passant par la définition
du besoin, la réponse au problème et la présentation des différents résultats possibles grâce au
jeu de données qui a été créé. Mais avant toute chose, il paraît important de présenter le Service
au sein duquel ce projet a été réalisé.
1.2. Présentation du service
Je vais tout d’abord présenter le Service de la Mensuration Officielle (SEMO) qui m’a
accueilli pendant 5 mois dans le cadre de ce PFE. Ce service fait partie du Département de
l'Intérieur et de la Mobilité (DIM), et dépend de la Direction Générale de l’Intérieur (DGI) de
l’Etat de Genève, comme vous pouvez le voir sur l’organigramme en annexe 1.
1
Cédric MINERY Septembre 2011
Des données 3D pour les architectes, urbanistes et paysagistes

Anciennement appelé « cadastre », le Service de la « mensuration officielle est
responsable de l'acquisition, de la gestion et de la diffusion des données de mensuration du
territoire ». Grâce à cette centralisation des données et leur grande cohérence spatiale, « chacun
peut dorénavant bénéficier d'informations tirées à la source du référentiel spatial commun,
comportant les dernières mises { jour […] Dès lors, la modélisation du territoire effectuée
suivant des critères rigoureux de précision, fiabilité et homogénéité offre l'opportunité, à plus de
vingt services publics, d'abandonner la mise à jour d'autant de duplicata du cadastre et de
réaliser des économies conséquentes.» (etatge@[2011]).
C’est en 2005 qu’a commencé la réflexion sur la création d’un socle 3D complet qui
permettrait d’enrichir la représentation du territoire, de faciliter la planification
d’aménagements urbains et d’une manière générale la gestion du territoire. « La troisième
dimension constitue sans conteste une percée majeure en matière d’outils de politiques
publiques » affirme Laurent Niggeler, directeur du SEMO, dans un article du magazine
Géomatique Expert consacré à la 3D à Genève (Niggeler[2009]).
1C’est le SOSI qui se charge de la centralisation et la mise en ligne de toutes les données du
territoire genevois, pas seulement issues de la mensuration officielle, mais provenant de tous les
services de l’Etat. Chaque service met quotidiennement son serveur à jour et toutes ces données
sont transférées sur le serveur de publication du SOSI une fois par semaine, ce qui assure une
mise à jour régulière et une fiabilité des données mises à disposition des utilisateurs.
La consultation des données est gratuite et libre d’accès, alors que l’extraction des
2données nécessite un compte utilisateur. Tous les partenaires du SITG possèdent un compte, et
les professionnels n’ayant pas de compte mais étant mandatés pour effectuer un quelconque
travail nécessitant des données peuvent commander un jeu de données auprès du SOSI.
II. ETAT DE L’ART
2.1. Genève et le SEMO
2.1.1. Socle 3D du Canton de Genève
2.1.1.1. Acquisition des données
Nous allons commencer par expliquer comment ont été saisies les données 3D du Canton
de Genève ainsi que les utilisations qui en ont été faites afin de replacer l’étude dans son
contexte.
C’est la société danoise COWI qui a été mandatée pour réaliser la saisie et la modélisation
des bâtiments, par l’intermédiaire de leur partenaire suisse GeoDataNetwork, spécialisée dans
« l'acquisition et le traitement de données à référence spatiale » (Geodatanetwork@[2011]).
COWI est un groupe de conseil international, spécialisé dans l’ingénierie, les sciences de
l’environnement et l’économie, basée { Lyngby, au Danemark (COWI@[2011]).

1 Service de l’Organisation des Systèmes d’Information
2 Système d’Information du Territoire Genevois
2
Cédric MINERY Septembre 2011
Des données 3D pour les architectes, urbanistes et paysagistes

Le SEMO a fourni { la société COWI l’ensemble des données suivantes nécessaires pour
leurs travaux :
 L’ensemble des données vectorielles 2D du SITG, et notamment l’empreinte cadastrale de
tous les bâtiments à saisir. La précision planimétrique de ces données est de 10cm en NT2
1et de 20cm en NT3 .
 Le Modèle Numérique d’Altitude (MNA) ainsi que le Modèle Numérique de Terrain (MNT)
issus de données LiDAR. La densité de ces données LiDAR est de 3 points par m² et chacun
de ces points a une précision planimétrique (erreur moyenne quadratique) de 20cm et
une précision altimétrique allant de 15cm à 50cm en fonction de la nature du sol.
 Les photographies aériennes orientées de la zone. Celles-ci datent de 2005 et ont une taille
de 11500x7500 pixels et une résolution au sol de 16cm.
Les points caractéristiques des toitures ainsi que leurs arêtes sont saisis par mesures
stéréographiques sur les photographies aériennes et classifiés selon leurs types. Les bâtiments
sont ensuite modélisés automatiquement { l’aide d’un logiciel développé par COWI en se basant
sur les empreintes cadastrales des bâtiments fournies par le SEMO. La méthodologie est
explicitée plus en détail sur le site Bati3D@[2010].
Une série de tests et d’éditions topologiques sont menés afin de respecter le cahier des
charges, notamment sur l’orthogonalité ou le parallélisme des faces. Les bâtiments modélisés
sont finalement envoyés au SEMO au format ESRI MultiPatch, où ils sont à nouveau contrôlés et
vérifiés avant d’être insérés dans la base de données. Nous reparlerons de ce format numérique
dans la suite de ce rapport.
2Les bâtiments remarquables et ouvrages d’art nécessitent un niveau de détail (LOD ) plus
élevé que les bâtiments classiques. Ils ont donc été modélisés par photogrammétrie terrestre
rapprochée. Une quinzaine de bâtiments remarquables ont été modélisés de cette manière à
Genève, ainsi qu’une quinzaine de ponts (cf Figure 1).
Des couples d’images stéréoscopiques sont acquisses sur chaque bâtiment et permettent
une modélisation détaillée des ouvrages, grâce également à des mesures complémentaires de
distances sur les bâtiments et de mesures de points au GPS afin de caler le modèle, d’orienter les
images ou de contrôler le travail réalisé. Des nuages de points sont également obtenus par
lasergrammétrie terrestre. Ces ouvrages d’art sont le plus souvent modélisés par des cabinets de
géomètres privés de Genève.



Figure 1| Exemple de bâtiment remarquable: le Grand Théâtre de Genève

1 « Niveaux de Tolérance », ces niveaux vont de 1 à 5 et varient en fonction de la zone géographique
sur le Canton de Genève.
2 « Level of Details », niveau de détails allant de 0 à 4 (voir §2.3.3.1).
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Cédric MINERY Septembre 2011
Des données 3D pour les architectes, urbanistes et paysagistes

2.1.1.2. Gestion et mise à disposition
Toutes les données de la mensuration 2D et 3D sont disponibles au téléchargement pour
les partenaires du SITG grâce à un « GeoExtracteur ». Cet accès aux données est très pratique. Par
exemple, si un géomètre a besoin d’un lever de corps de rue pour un de ses travaux, il peut
obtenir ces données à distance et sans délais grâce au GeoExtracteur. On peut également
simplement visualiser la ville de Genève en 3 dimensions sur le guichet GEO3D du site du SITG.
Voici le principe de fonctionnement du GeoExtracteur. On sélectionne une zone
géographique, soit par un rectangle, soit par un polygone, puis on tri les couches d’informations
qui nous intéressent. Il y a 600 couches environ au total, qui sont heureusement également
rangées par thèmes que l’on peut choisir automatiquement, comme les données générales de la
mensuration, l’assainissement ou encore les données en 3 dimensions. Une surface maximale
d’extraction (400 ha) est définie afin d’éviter que quelqu’un ne télécharge tout le canton en une
fois, et l’utilise ensuite comme base pour ses travaux sans se soucier des mises { jours régulières
qui sont effectuées. Les données de cette zone sélectionnée sont ensuite directement
téléchargeables dans un fichier compressé.
Vous trouverez en annexe 2 toutes les
données 3D qui sont téléchargeables sur le
GeoExtracteur. Parmi celles-ci, il est
important de citer ici les bâtiments 3D et de
présenter leurs compositions en 5 couches
(cf Figure 2 ci contre).

Figure 2| Composition d'un bâtiment 3D
2.1.2. Utilisations et réalisations
Nous allons maintenant voir quelques exemples de projets qui ont été réalisés grâce aux
données 3D fournies par le SITG. La volonté du SEMO est de garantir un socle 3D complet avec
tous les attributs nécessaires à des analyses et simulations précises. Ce ne sont pas les aspects
visuels et « touristiques » qui sont les priorités.
2.1.2.1. Simulation d’aménagement du territoire et de trafic routier
Un important projet de réaménagement de la zone de Bernex Est à Genève a été réalisé en
2009, et plusieurs petits films d’animations présentant la situation future ont été réalisés en se
basant sur le socle 3D du canton.
La Figure 3 ci-dessous est un extrait de ces animations très réussies esthétiquement. Elles
ont été réalisées par GVA, une société basée à Paris dont nous reparlerons au §3.1.1. Sur l’extrait
ci dessous, nous voyons les futurs immeubles qui ont été insérés dans le socle 3D et qui
permettent d’avoir un aperçu volumique de leurs emprises. Les polygones 2D verts représentent
toute l’étendue du projet et les projets d’aménagement ponctuels peuvent être expliqués au fur
et à mesure que la camera survole leurs sites. Malgré un très bon aspect visuel, on remarque
néanmoins un petit défaut, { savoir une brusque transition de la résolution de l’orthophoto du
MNT { l’arrière plan.

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Cédric MINERY Septembre 2011
Des données 3D pour les architectes, urbanistes et paysagistes







Figure 3 | Extrait d'une animation réalisée grâce aux données 3D du SEMO
L’exemple suivant montre une simulation de trafic routier qui permet de planifier
l’alternance des feux tricolores { un carrefour (cf Figure 4). Il s’agit du projet d’aménagement du
Parc de stationnement des Suzettes, faisant parti du même projet global. Nous y voyons les
différentes phases du cycle des feux et quelle ligne de voitures peut rouler ou doit s’arrêter {
tout moment. Le plan 2D est également présenté en incrusté mais nous remarquons que la
compréhension du projet est extrêmement facilité par l’animation. Cela permet de présenter le
projet à un public amateur, non familier avec les plans 2D.





Figure 4 | Extrait de l'aménagement d'un carrefour
2.1.2.2. Aménagement d’une plate forme de transports en commun
Un autre projet important a été celui de la simulation des flux sur un carrefour faisant
intervenir des bus (flux réguliers), des voitures et des piétons (flux aléatoires). En effet, au
1printemps 2010, le nouveau plan de réseau des TPG a été soumis aux députés qui ont demandé
des compléments d’informations, notamment sur les nœuds de transbordement. Cette
simulation complexe a été réalisée par Olivier Donzé et Yacine Benmansour, professeur et
assistant à la Haute Ecole du Paysage, d’Ingénierie et d’Architecture (HEPIA) de Genève.
Les flux de piétons et de voitures ont été modélisés en se basant sur des statistiques de
parcours obtenues par comptages sur les lieux. Tous ces déplacements sont régulés par des feux
de signalisation. Les flux de bus ont été réalisés grâce aux calendriers des TPG. Les véhicules ne
peuvent que se déplacer suivant des tracés linéaires, tandis que les piétons peuvent circuler
librement sur des espaces délimités. Le tout a été représenté dans un environnement 3D créé à
partir des données 3D du SEMO. Plusieurs variantes d’aménagement ont ainsi été proposées
(positions des passages cloutés, des feux tricolores, des tracés de bus…). La Figure 5 ci-dessous
montre un extrait de cette animation qui simule la vie du carrefour pendant une heure de pointe.

1 Transports Public Genevois
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Cédric MINERY Septembre 2011
Des données 3D pour les architectes, urbanistes et paysagistes







Figure 5 | Extrait de la simulation des flux de l'HEPIA (Donzé, O. et al. [2010])
Il faut préciser une chose importante concernant l’imageFigure 5 ci-dessus, c’est que le
terrain sur lequel repose les immeubles n’est pas issu du MNT du SEMO. C’est un plan horizontal
sur lequel ont été plaqués les dessins des routes, trottoirs et marquages routiers. Seuls les
bâtiments sont issus des données du SEMO.

2.1.3. Projet architectural
Grâce aux contacts privilégiés du SEMO, j’ai rapidement pu rencontrer M. Christian Tellols,
architecte de la société IMPLENIA, « premier groupe de construction de Suisse »
(Implenia@[2011]). Il est un des rares acteurs privés a avoir demandé des données 3D au SEMO
afin de mettre en valeur le projet du nouveau bâtiment du Centre Médical Universitaire (CMU)
de Genève. Le quartier du CMU a ensuite servi de zone pilote tout au long du projet.
Les architectes de IMPLENIA ne travaillent pas encore régulièrement sur des maquettes
3D complètes, ils créent plutôt des images de synthèses à base de photographies retouchées,
depuis des points de vues fixes. Une maquette numérique du bâtiment projet est d’abord
élaborée et des photos aériennes de la zone sont prises grâce à un appareil photo fixé sur un
ballon { l’hélium radiocommandé. C’est finalement un travail d’incrustation de la maquette dans
une de ces photos aériennes qui est réalisé afin de vendre le projet. Pour cela, il faut au minimum
3 points connus en coordonnées locales par rapport à son projet et visibles sur la photo afin de
calculer la position et l’orientation de la caméra au moment de la prise de vue (technique du
relèvement spatial). En donnant la géométrie du capteur de la camera et en cliquant ces points
homologues, cette orientation de la photo se fait automatiquement grâce à une application du
logiciel 3DStudioMax. Cette image servira simplement de fond dans Photoshop, logiciel utilisé
pour réaliser ces images de synthèses « publicitaires ». Cette opération de saisie de points
homologues est largement facilitée par l’utilisation des données du SEMO, car tous les coins de
bâtiments sont connus et il suffit de cliquer les points homologues sur la photo et les bâtiments
3D. On peut ainsi cliquer plus de points que nécessaire ce qui permet au logiciel de compenser
ses calculs par la technique des moindres carrés. Sans ces bâtiments 3D, le travail d’un géomètre
serait nécessaire pour lever et fournir les coordonnées des points homologues. La Figure 6
montre l’environnement du logiciel 3DStudioMax avec le bâti 3D, le projet architectural au
centre et les positions des caméras calculées (en rouge).

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