Analyse et observations sur les LOD de CityGML

PourBenneret al.[2013], « le concept de LOD de CityGML est la partie la plus citée du standard en raison de sa simplicité et de son utilité ». Pourtant, cette simplicité conceptuelle ne perdure pas lors d’applications pratiques comme nous allons le démontrer dans les paragraphes ci-dessous. Ce concept reste sujet à de nombreuses critiques que nous détaillons également ci-dessous. Les premières évoquées parBenneret al.[2013] restent générales à propos des LOD :

– ils complexifient le modèle ;

– ils imposent des restrictions d’utilisation du modèle ;

– leur extension pour les autres domaines thématiques autres que le bâtiment et le MNT produit des résultats incohérents de modélisation.

D’aprèsLowneret al.[2013], le concept de LOD a été développé d’abord pour le module du bâtiment et a ensuite été adapté aux autres modules. Nous détaillons ici notre analyse critique du concept de LOD de CityGML dans notre contexte de projet d’infrastructure, différent du bâtiment comme nous l’avons expliqué dans la première partie de ce mémoire. Notre travail n’a pas vocation à discréditer les LOD ou le CityGML. Nous visons plutôt à identifier les points bloquants ou les zones d’ombre dans ce standard pour une application dans un contexte de projet de conception. Nous évoquons notamment l’impact des LOD sur la structuration de l’information et sur la gestion de la multi-représentation. Les critiques ci-dessous proviennent du fait que l’objectif premier de la création de CityGML, et donc des LOD, était de transposer les approches de la cartographie classique dans des normes et modèles pour de la cartographie numérique 3D [Borrmannet al.,2013].

La définition des LOD sujette à des interprétations variables

Comme le montre la Figure5.4, la norme de CityGML laisse de nombreuses possibilités de description d’un même objet pour chaque LOD [Benner et al., 2013]. Cela vient du fait qu’il n’existe pas de spécification réellement contraignantes sur la répartition des classes dans le modèle. C’est donc bien le sens que l’on donne à chaque LOD, pour une utilisation spécifique, qui permet de réellement définir l’information que contient chaque LOD. Un modèle en CityGML doit être accompagné de spécifications de modélisation qui complètent la norme. Ces spécifications décrivent ce que contient chaque LOD car comme l’expliquentLowneret al. [2013], presque tous les attributs dans CityGML sont facultatifs, ce qui rend le modèle flexible mais ne facilite pas les échanges de données entre acteurs (un débat similaire existe autour des attributs obligatoires et facultatifs dans les échanges en IFC). Plusieurs types d’entités, d’attributs et de valeurs d’attributs sont soumis à interprétation. Citons l’exemple de la hauteur d’un bâtiment : est-elle définie à partir du point haut du sol ou du point bas, des fondations, du rez-de-chaussée ? La notion departies du bâtiment est également sujette à interprétation : parle-t-on d’une décomposition verticale ou horizontale ? Enfin, pour situer verticalement un objet, il est localisé par une altitude et non par une appartenance à un espace comme dans les IFC, ce qui donnerait une information importante pour répondre aux exigences.

En ce qui concerne la sémantique, les modèles en LOD1 et LOD2 des Länder allemands par exemple ne contiennent généralement que les bâtiments, les modèles en LOD2 contiennent en plus lesboundary

5.1. LE CONCEPT DE LEVEL OF DETAIL (LOD) DE CITYGML 113

Fig.5.4 –Variantes de modélisations permises par CityGML pour un bâtiment au LOD2 (ligne 1 affiche les possibilités par rapport à l’objet à modéliser en ligne 2)[Benner et al.,2013].

surfaces. Dans certains cas, la végétation et le mobilier urbain (réverbères par exemple) peuvent être présents. Les ensembles de données au LOD3 de certaines villes sont généralement texturés et géomé-triquement très détaillés, mais (du moins à la connaissance des auteurs de [Groger et Plumer,2012]) la plupart ne fournissent pas d’éléments sémantiques tels que les lucarnes, balcons, fenêtres ou portes. Ainsi, les modèles disponibles ne contiennent généralement pas toute la sémantique disponible dans le modèle de CityGML. Cela rapproche les modèles décrits en CityGML de simples modèles géométriques 3D, contrairement à l’esprit initial qui était de permettre la génération et l’échange de modèles 3D de description du milieu urbain comprenant des éléments de sémantique et de topologie.

Biljeckiet al.[2013] s’étonnent que malgré la forte utilisation du concept, il n’y ait pas de définition précise dans la norme. Dans le même sens, les LOD sont intéressants par leur flexibilité d’utilisation, mais également dangereux puisqu’il n’existe pas de règle stricte pour les objets et la sémantique à inclure ou non selon le LODGroger et Plumer[2012] ;Benneret al.[2013]. Seules certaines règles de modélisation sont immuables : un bâtiment au LOD1 aura toujours une représentation 3D avec un toit plat même si la valeur de son type de toit indique un faitage par exemple. Ensuite,Stadler et Kolbe

[2007] rappellent que les informations de chaque LOD se doivent d’aborder une cohérence entre la sémantique et la géométrie. Chaque LOD a un niveau d’information sémantique minimum, spécifié par les modèles UML de laNorme de CityGML. Pourtant, Biljecki et al.expliquent que les LOD ne sont dirigés ni par la géométrie seule ni par la sémantique seule : la progression de l’information sémantique et géométrique est corrélées. Comme nous allons le voir, cette relation constitue une contrainte pour l’utilisation des LOD dans un contexte de conception. Elle n’est, par contre, pas suffisamment définie, ce qui rend variable et donc délicate la définition de l’information échangée en CityGML entre deux acteurs.

La définition actuelle des LOD ne permet pas de consensus d’utilisation de ce concept. Par consé-quent, les directives et spécifications techniques telles que les exigences de précision pour chaque LOD ne sont généralement pas mentionnées ou le sont trop vaguement dans la version 2.0 de 2012. La version 3.0 de CityGML devrait apporter une définition plus précise des LOD. Toutes les interprétations possibles ne sont pas traitées ci-dessus mais cet extrait démontre que même pour des acteurs

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vaillant régulièrement avec les LOD et maitrisant les concepts de la géomatique et de la cartographie, l’interprétation est fonction de chaque acteur. Ces différences ne semblent pas fondamentales pour la compréhension du modèle mais si deux acteurs ne conçoivent pas ce concept de la même manière, l’in-teropérabilité lors des échanges de modèles en CityGML n’est plus établie. Ce constat est d’autant plus vrai dans un contexte de conception regroupant des acteurs aux sensibilités multiples et aux approches de modélisation variées.

Les LOD et la diversité des points de vue

Tout d’abord, en lien avec la définition donnée des niveaux de détail en géomatique (section 1.1.6

page 23), nous pouvons affirmer que le CityGML ne propose en fait qu’un seul univers du discours très large qui doit être utilisé par tous les acteurs (voir la Figure5.5). Le CityGML malgré les LOD n’offre en fait qu’un seul point de vue, une seule décomposition possible du milieu urbain à modéliser (modulo les interprétations des règles d’appartenance des objets et attributs aux différents LOD). Les LOD détaillent les éléments de cet unique point de vue porté sur le milieu urbain et centré sur les bâtiments. Une variabilité de cet univers du discours est possible uniquement en ne considérant que certains objets ou classes d’objets.

Fig.5.5 –Modélisation de l’unicité de l’univers du discours décrit par le CityGML.

Les LOD et le CityGML, tels qu’ils sont définis, couvrent un large champ des études liées au milieu urbain. Toutefois, nous avons identifié que dans un projet d’infrastructure, de nombreux points de vue sont nécessaires. Cela se traduit par des besoins variables de décompositions du milieu urbain. Concrètement, un point de vue implique un arbre de décomposition et de relation des objets comme le montre sur un exemple simple la Figure5.6. Le concept de LOD est bien défini pour les bâtiments. Il l’est moins pour des objets aux dimensions et proportions différentes, comme un arrêt de bus : par rapport à ses dimensions, un arrêt de bus ne sera représenté qu’au LOD3 alors qu’il serait à modéliser dès le LOD1 ou 2 pour des analyses d’accessibilité et de répartition spatiale par exemple (autre univers du discours que celui proposé par CityGML).

Donc, ces LOD de CityGML définissent un point de vue unique sur la représentation multi-échelle d’un modèle de ville. Nous nuançons toutefois ce propos. En effet, la manière donc ces LOD sont définis donne une cohérence dans la modélisation des objets du milieu urbain et rend donc les modèles issus de ces règles réalistes dans leur représentation visuelle. Notre proposition, en considérant plusieurs univers du discours et manières de modéliser un projet devra également veiller à rester cohérente avec la réalité des projets. Les expérimentations et cas d’usage de notre quatrième partie permettent ce contrôle.

Problèmes de cohérence de l’information aux transitions entre LOD

Les LOD sont souvent vus et présentés comme un concept traduisant les étapes d’augmentation du détail. Mais suite à la lecture de multiples travaux de géomatique sur la multi-représentation et la

5.1. LE CONCEPT DE LEVEL OF DETAIL (LOD) DE CITYGML 115

Fig.5.6 –Deux décompositions possibles pour un même LOD.

gestion des bases de données multi-échelles, notamment [Parentet al., 1997, 2006; Mignard, 2012;

Ruas, 2004], il semble que le LOD soit plutôt un concept lié à la généralisation des données1. Ainsi, il faudrait commencer par présenter les LOD à partir du LOD4 pour finir sur la généralisation la plus « aboutie » en LOD0. La manière de décomposer les objets en augmentant la précision, le détail, doit être gérée par d’autres concepts que nous verrons plus tard.

Benneret al.[2013] notent dans leur travail plusieurs incohérences dans l’utilisation des LOD sur certains objets que nous pouvons commenter.

1. A quoi correspond la modélisation au LOD4 de l’élémentWaterBodys? Le LOD4 permettant de modéliser ce qui n’est pas visible de l’extérieur : « S’agit-il de la faune aquatique ? » s’inter-rogentBenneret al.[2013]. En effet, le LOD4 est défini par l’ajout des éléments intérieurs, donc quel intérêt pour les objets commeBuildingInstallation, WallSurface orRoofSurface) d’avoir un LOD4 ?

2. La définition des LOD pour certains objets ne correspond pas réellement aux besoins de certaines analyses : par exemple la modélisation des fenêtres n’est possible qu’au LOD3, lequel demande par ailleurs une modélisation détaillée de la géométrie du bâtiment. Or cette complexité géométrique n’est pas nécessaire pour les calculs de besoins énergétiques contrairement à celle des ouvertures. Cela confirme bien les notre affirmation de la section précédente : le CityGML ne propose qu’un seul point de vue avec plusieurs niveaux de détail, ce qui ne permet pas de répondre à tous les besoins des projets d’infrastructures.

3. La modélisation des objets intérieurs (LOD4) est nécessairement unique, ce qui évoque la même problématique que le point précédent pour les différentes analyses basées sur les objets modélisant l’intérieur des bâtiments (études d’accessibilité aux personnes à mobilité réduite, sécurité incendie, réglementation des accès, etc.).

4. Il n’existe pas de spécifications pour définir les méta-données qui doivent accompagner chaque objet au travers des LOD. En effet, il n’est jamais précisé si la hauteur d’extrusion d’un bâtiment est celle du faitage, du bord de toit ou du dernier étage. D’ailleurs, l’emprise au sol qui sert également pour l’extrusion (LOD1) n’est pas non plus précisée : est-ce l’emprise au sol stricte ou l’emprise des bords de toit ? Est-ce que les zones couvertes mais pas complètement fermées comptent ? Etc.

Ajoutons un exemple cité parLowneret al.[2013]. Si l’on s’intéresse à la continuité entre les objets et la sémantique des différents LOD, quelle serait l’utilité, si ce n’est visuelle, de pouvoir modéliser dès le LOD2 des cheminées, balcons ou lucarnes puisqu’il n’y a pas d’objets réels qui modélisent le conduit,

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objet d’intérieur présent seulement au LOD4 ? Dernier éléments à signaler à propos des incohérences entre LOD : puisque l’appartenance d’un objet à un LOD est fonction de la précision de sa géométrie et de son implantation, les détections de clashs entre objets de LOD différents sont à analyser avec précaution. Il conviendrait ici de préconiser de n’utiliser que des objets d’un même LOD pour certaines analyses. Cette consigne est implicite dans la définition des LOD de CityGML puisque de manière générale, à un LOD correspond une base de données constituée dans un but précis mais ce n’est plus le cas dans un projet de conception. Par ailleurs,Stadler et Kolbe[2007] préconisent un alignement entre la description sémantique et la représentation géométrique, ce qui d’après les auteurs permet l’application de contrôles de cohérence sur des données [Stadler et Kolbe,2007]. Nous verrons que cette continuité ne s’avère pas pertinente pour un projet de conception. Selon les besoins, un décalage entre information sémantique et géométrique peut être nécessaire. Nous explicitons cela avec le Tableau5.6 page 135. Ces remarques mettent en avant le fait que le concept de « niveau de détail » appliqué dans l’absolu, conséquence de l’unicité du point de vue de CityGML, n’est pas pertinent même avec une application par module (module bâtiment, module pont, . . .).

Ensuite, nous avons vu que dans un modèle CityGML, il n’existe pas de lien réel entre les sous-objets composant un objet à un LOD et l’objet lui même au LOD précédent. Par exemple, un bâtiment représenté avec uneMultiSurfaceau LOD2 n’est pas lié dans le modèle aux murs qui le représentent au LOD3 : le lien de composition entre objets n’a pas d’existence réelle dans un modèle en CityGML. Notre interprétation est que ce bâtiment ne peut avoir une représentation au LOD3 puisqu’il est représenté par la modélisation d’autres objets, qui eux n’ont pas de modélisation au LOD2 (voir Figure 5.7). Si l’objet Building a une géométrie au LOD3, il y aura conflit (ou superposition) avec les murs qui le représentent au LOD3. Il faut donc choisir de faire exister le bâtiment en tant que tel au LOD3 ou bien de le représenter par ses sous-objets comme c’est le cas dans cette Figure5.7. Les pictogrammes de PERCEPTORY font référence au type de géométrie pour représenter l’objet. Donc concernant la mo-délisation géométrique des informations des différents LOD, il n’y a dans le modèle de CityGML qu’une arborescence implicite entre un objet et les sous-objets qui le composent. Ainsi, dans la représentation visuelle, l’observateur ne peut que supposer les liens entre objets aux différents LOD.

5.1. LE CONCEPT DE LEVEL OF DETAIL (LOD) DE CITYGML 117 Traitons maintenant des problèmes de continuité sémantique entre LOD. Par exemple, l’objet che-minée est au départ un BuildingPart. A un LOD supplémentaire il devient un RoofPart. L’utilisation de la multi-représentation d’objets dans des modèles 3D importants en quantité de données est néces-saire mais la gestion cohérente de ces multiples représentations est encore loin d’être formalisée d’après

Breunig et Zlatanova[2011]. Il n’y a effectivement pas de règles pour passer d’un LOD à un autre et ce que contient chaque LOD n’est pas parfaitement défini dans laNorme de CityGML[2012]. Considérons également le cas de la continuité de la topologie entre objets sur un pont : topologiquement, le pont est lié à la route, ce qui permet aux LOD0, 1, voire 2, d’identifier une continuité du réseau routier. Au LOD3, la géométrie et la sémantique se précisent et donc l’objetjoint peut apparaître (il n’existe pas dans la norme mais c’est le niveau le plus détaillé pour son apparition puisque le joint n’est pas à l’intérieur du tablier de pont). Ainsi, la topologie change suite à l’ajout dans la modélisation du joint entre la route et le tablier du pont, et donc avec le LOD (voir la Figure5.8).

Fig.5.8 –Exemple simplifié de perte de continuité topologique au changement de LOD.

Enfin, il est à noter que les modèles multi-LOD sont très rares et contiennent seulement 2 ou 3 LOD maximum sur les 5 possibles [Biljeckiet al.,2014b;Ohoriet al.,2015]. Si plusieurs LOD sont présents ils proviennent de la généralisation des donnée des LOD supérieurs [Biljeckiet al.,2014a]. Cela signifie que l’intérêt des LOD, consistant à permettre l’assemblage de données décrivant les mêmes objets du monde réel mais avec des précisons ou moyens de relevé différents, n’est pas exploité. Cela vient de la manière de travailler et de penser de la communauté géospatiale qui ne mélange généralement pas plusieurs niveaux de détail dans les données. Cela signifie qu’un échange en CityGML se fait dans l’optique d’une ou plusieurs analyses déjà identifiées lors de la construction du modèle. Ces analyses sont généralement faites par un acteur qui porte un unique point de vue sur le modèle et travaille avec une échelle fixe. Pour un projet d’infrastructure, le fait d’assembler plusieurs modèles avec des niveaux de détails ou points de vue différents, impose une décorrélation entre le « niveau de détail », l’abstraction portée sur la réalité à modéliser et l’échelle. Ce n’est pas le cas dans la définition actuelle des LOD. Pour

Borrmannet al. [2014], les niveaux de détail en géomatique correspondent au stockage indépendant des représentations d’un même objet dans des bases de données différentes. Il peut s’ensuivre des incohérences entre les modélisations des mêmes objets. Donc, bien qu’en parfaite adéquation avec les besoins des géomaticiens, ce concept de LOD ne peut permettre, tel qu’il est actuellement défini, la modélisation et la gestion des multi-représentations des objets dans un projet de conception [Borrmann

et al.,2013,2014]. En effet, notre proposition de redéfinition des LOD ainsi que l’extraction du concept de niveau d’abstraction du LOD vise à répondre à cette problématique.

Imbrication de concepts dans les LOD

Nous avons plus haut mis en lumière certains concepts implicitement intégrés dans les LOD de CityGML comme l’apparence, la géométrie, la sémantique, la précision ou même la présence d’un objet dans une représentation. Nous avons également expliqué le lien entre les LOD, l’échelle de modélisation

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et le regard porté sur les éléments à modéliser. Cette section analyse plus en détail ces imbrications de concepts au sein du LOD.

En général, on ne représente un objet de manière précise que si l’information sémantique qui le décrit est également précise. Nous avons plus haut évoqué ce point et justifié la nécessaire décorrélation entre la sémantique et la géométrie, actuellement rassemblées au sein d’un même indicateur, le LOD. Mais au sein même de CityGML, un élément fragilise cette cohérence géométrique et sémantique pour la modélisation. D’aprèsBiljecki et al. [2014b], la texture ne fait pas partie de la définition des LOD : elle peut être ajoutée n’importe quand. Pour Biljecki et al., la texture n’a qu’un rôle d’aide à la compréhension spatiale des relations entre objets. Cette liberté éloigne les LOD d’une utilisation standardisée, d’autant plus que la texture devrait pouvoir rendre compte des différents attributs, de la