La Ville de Rennes a été la première ville en France à avoir réalisé et utilisé une maquette 3D de son territoire. Cette démarche, commencée dès 1999, partait de la volonté de proposer, à l’occasion des manifestations pour le passage en l’an 2000, une présentation 3D  interactive de la ville auprès de sa population. Ce projet s’appuyait sur un triptyque comprenant l’évolution historique de la ville,  la présentation de son état actuel et la présentation des projets majeurs en terme d’architecture et d’aménagement.
 
C’est Archividéo qui a réalisé, en 1999, cette maquette 3D à partir de sa technologie de reconstruction automatique nommée FastBuilder. Les algorithmes, mis au point par Archividéo, permettaient de produire une modélisation 3D réaliste de l’ensemble de la ville, en utilisant au maximum la totalité des données cartographiques disponibles. A cette occasion, nous avions utilisé les nouvelles données numériques fournies par le laboratoire MATIS de l’IGN qui a testé à cette occasion sa nouvelle caméra de prise de vue numérique et sa chaîne de traitement. C’est également à cette occasion que nous avons utilisé un Modèle numérique d’élévation (MNE)  issu de corrélation. La manifestation rennaise a été un grand succès (35 000 visiteurs sur 10 jours d’exposition publique) et l’application montrant la maquette 3D, présentée sur un écran de 35 m2, a été très appréciée par la population. Cette innovation réussie fut le point de départ du partenariat entre la Ville de Rennes et Archividéo.
 
Fort de cette première utilisation, les élus de la Ville de Rennes ont formulé le souhait de poursuivre la mise à jour de cette maquette tout en développant ses usages multiples, tant dans le domaine de la communication, des évènementiels et que pour la présentation des projets  l’aménagement. Au sein de la Ville de Rennes, cette démarche a donc naturellement associé la Direction de la Communication pour les usages grand public, et le service CARTE, en charge de la gestion des données nécessaires à la mise à jour de la maquette 3D.
 
Une réflexion importante a été menée entre SIG et maquette 3D. Cette réflexion incluait évidemment l’accès et la maintenance des données brutes nécessaires à la réalisation de la maquette proprement dite.  Au delà de l’acquisition de ces données, une approche fine a été réalisée sur la structuration des données 3D compatibles avec les usages associés aux systèmes d’information géographique. L’évolution de la précision des données, associée à une structuration de ces informations a donc été au cœur de notre partenariat pendant plus de 10 années.  Ce sont les dernières avancées de notre démarche que nous présentons dans cette conférence SIG 2009.

Durant ces  dix années, l’évolution de la maquette a bénéficié d'évolutions régulières qui ont concerné tant les usages que les technologies de diffusion ou la précision du modèle.
 
1999 :1^ère réalisation de la maquette 3D
Dans le cadre des manifestations de l’an 2000, la ville réalise sa première maquette 3D interactive. La présentation publique s'effectue sur écran géant avec du matériel informatique spécifique (Machine ONYX de Silicon Graphics). En parallèle, la ville avait constitué une maquette historique de Rennes au 18^ème siècle. Si bien que le public peut manipuler en libre service et combiner navigation interactive et bascule entre la Ville actuelle et l'époque 18^ème. Cette réalisation s’est poursuivi par la production d’un CDROM « De Condate à Rennes », présentant 7 étapes essentielles de son évolution.
 
2003 : Le Cd Rom "Vivre à Rennes"
Réalisé à partir de la maquette 3D,ce Cd Rom, à destination notamment des nouveaux arrivants, permet une localisation 3D  de tous les  organismes de la ville, ainsi qu’une information complète sur le fonctionnement des transports publics. Vendu en kiosque et associé à un guide papier ce cdrom a été publié à 25 000 exemplaires par an pendant 6 années.( Le parc matériel 3D du grand public étant encore peu développé à cette époque, ce Cd Rom utilisait une technologie 2D ½ et non 3D)
 
2004 :La 3D sur Internet
Dans le cadre d’un projet financé par le Conseil Régional de Bretagne, l’application internet « Rennes Citévisions » reprend l’ensemble des fonctionnalités du Cd Rom « Vivre à Rennes ». L’évolution des cartes graphiques 3D grand public d’une part, et l’apparition des réseaux internet à haut débit d’autre part, permettent désormais d’envisager des applications réellement 3D sur le Web. Le site « Rennes Citévisions » est officiellement ouvert en mai 2005.
 
2005 :Intégration des données 3D dans le SIG
Pour des besoins de simulation, il était nécessaire d’aboutir à une modélisation de plus en fine, tout en gardant cette souplesse de mise à jour. Début 2005, dans la perspective d’un projet de thermographie  une analyse interne de la ville en matière de 3D conduit à une re-définition des données prises en gestion sur le SIG avec intégration de nouveaux objets 3D.. Le projet visait à améliorer la géométrie des bâtiments tout en prenant en compte la mise à jour régulière du modèle par la saisie d’informations relatives aux permis de construire. C'est ainsi qu'a été lancée une restitution photogrammétrique des toitures à partir de la  prise de vue de 2004. Cette restitution a permis de renseigner, dans le SIG, un modèle paramétré des formes de bâtiment. L’ensemble des nouveaux permis de construire a ensuite été numérisé en suivant cette même structure. Le résultat découlant de l'exploitation de ce nouveau modèle a été présenté au public en 2005, lors de la manifestation « Envie de Ville » En parallèle, le service Carte met à disposition des équipes d’architecte des extraits de la base 3D au format VRML , DXF ou 3DSMAX.
 
2006 :La 3D sur le site des "Pages Jaunes"
La société Pages Jaunes et la Ville de Rennes signe une convention de partenariat  pour l’expérimentation et la mise en service du nouveau service « Ville en 3D » de Pages Jaunes. Ce service, qui s'appuie fortement sur l’expérience de la ville en matière de modélisation et d’usages grand public, s'est depuis déployé sur 18 villes en France et 3 villes en Espagne. Parallèlement, le Centre d’information sur l’urbanisme (CIU), souhaite, dans le cadre d’une exposition, expliquer aux habitants les évolutions de la ville après la 2eme guerre mondiale. C’est ainsi qu’un travail de modélisation a été réalisé sur les années 1947 et 1980.
 
2007 :Publication du modèle 3D dans l'intranet géographique
Le modèle 3D est entièrement reconstruit à partir des informations paramétrées et  est mis à disposition de l'ensemble des services sur l’intranet géographique de la ville.
 
2009 :Un modèle 3D en textures réelles
L'amélioration de la précision géométrique étant acquise, le nouveau projet s’attache à développer une restitution visuelle au plus proche de la réalité, tout en conservant l’approche générale sur l’ensemble de la ville. Nous avons donc réalisé une maquette entièrement texturée par exploitation des vues obliques fournies par la société InterAtlas.

En basculant du modèle « générique » au modèle « conforme », la Ville de Rennes poursuit les trois objectifs suivants :
 
>> Respecter la géométrie de chaque élément bâti (hauteurs, orientation des faîtages, types de toits…)
Le modèle devient ainsi utilisable pour des simulations de projets ou pour l'exploitation de certaines thématiques (ex: thermographie des toitures).
La géométrie précise constitue, de plus, un pré requis incontournable pour le calcul ultérieur des textures vraies.
 
>> Assurer, sur le SIG, la mise à jour, en temps réel, du modèle géométrique.
Toutes les nouvelles constructions sont saisies dès le stade de l’ouverture de chantier à partir des permis de construire.
Le choix de la modélisation paramétrée permet :
de renforcer, par l’affectation d’attributs, la finesse des post-traitements et des sélections,
de limiter, au maximum, le volume des saisies géométriques (photogrammétrie initiale, puis compléments manuels)
d’automatiser la génération des volumes (murs et toits)
 
>> Envisager l’application de textures vraies sur le modèle afin de permettre une diversification des usages en direction des citoyens (localisation non ambiguë, guidages, visite virtuelle, mobilité)
 
La modélisation est obtenue par exploitation des 4 classes d’objets suivants :
·       les bâtiments définissent l’emprise bâtie au niveau du sol.
Ces contours, dont la source initiale est cadastrale, sont définis selon un critère foncier. Ainsi, un même bâtiment peut posséder différentes hauteurs égout ou faîtage et/ou différentes formes de toits.
 
·       lorsque nécessaire, les bâtiments sont décomposés (découpage topologique) en éléments plus fins, « les constructions », afin de distinguer les différentes formes et les différences de niveau des toitures (au niveau du faîtage ou des égouts de toitures)
Les critères de découpe sont les suivants :
-  le bâtiment possède 2 formes de toits différentes
-  présence d’une dalle (bâtiment posé sur une dalle, exemple : Colombier)
-  différence d'altitude faîtage strictement supérieure à 1mètre
-  différence d'altitude gouttière strictement supérieure à 1mètre

·       les faîtages adoptent la classe d'entité géométrique adaptée au type de toit ce qui permet de restituer au mieux la forme du toit, tout en simplifiant les saisies. Des attributs permettent de caractériser la forme de la toiture (7 cas retenus), de préciser les priorités et les contrôles à prendre en compte dans les calculs ultérieurs de génération du modèle.

·       A chaque extrémité du faîtage, sont rattachées une ou plusieurs arêtes (suivant le nombre de pentes). Le nombre et la géométrie des arêtes sont réduits au strict nécessaire du fait que ces auxiliaires de saisie sont recalculés au moment de la génération automatique du modèle.

Le SIG de la Ville de Rennes prend en gestion l'ensemble de ces nouvelles données de référence.

Archividéo dispose de plusieurs techniques de texturation automatique des bâtiments : l’approche heuristique et l’approche géo-photographique.L'approche heuristique permet d’affecter des paramètres complémentaires à des données cartographiques. L’affectation de ces paramètres s’appuie sur des règles qui décrivent la morphologie urbaine de la ville à modéliser. La restitution visuelle des façades s'appuie en particulier sur une bibliothèque de textures de bâtiments développée par Archividéo. Notre bibliothèque comprend plus de 1500 textures renseignées. Une étude morphologique urbaine de la ville par quartier permet d'affiner le modèle. Cette solution est la plus simple et la plus rapide à mettre en place. De plus, elle est fondamentalement évolutive. L’ensemble des paramètres associés à chaque emprise peut aisément être mis à jour, modifié et renseigné.

L’approche géo-photographique s’applique à produire une modélisation réaliste des bâtiments avec les « vraies » textures de façades. Notre produit permet d’utiliser n’importe quel type de source photographique (vue aérienne, vue du sol), à condition que l’ensemble des paramètres de prises de vue soit parfaitement connu. Ce type d’approche est obligatoirement associé à la modélisation photogrammétrique des bâtiments.
 
L’algorithme pour la fabrication des textures de chaque façade s’appuie sur un calcul géométrique. Nous partons d’une façade qui est composée d’au moins une face. Il suffit de calculer pour cette façade la quantité et la qualité de l’information « texture » présente dans chacune des sources photographiques disponibles. Par exemple nous allons calculer pour chaque source photographique disponible  la résolution de cette face dans cette source. Le critère retenu est alors la taille du pixel dans la photographie source. Du fait de l’effet perspectif, la taille du pixel peut être différente dans la direction horizontale et verticale de la façade. Un autre critère sera le pourcentage d’occlusion de cette face par rapport à d’autres objets de la scène. Ce critère donne en fait le pourcentage de la façade vue par la source. Ces deux critères sont souvent contradictoires. En effet, l’utilisation d’images obliques (à 45 °) donnera des résolutions meilleures par rapport à des images plus verticales. Par contre, dans des milieux urbains denses les vues obliques peuvent être soumises à des effets importants d’occlusion. Une fois ce calcul effectué, il convient de choisir la meilleure source pour la façade traitée. Le choix sera pondéré par un critère de qualité de l’utilisateur. Ainsi l’utilisateur pourra privilégier la résolution plutôt que l’occlusion. Dans d’autre cas, il favorisera un rendu cohérent avec une absence totale d’occlusion. De plus, pour des raisons de cohérence colorimétrique,  le choix  de la source à utiliser sera si possible unifié pour une façade donnée.
 
Pour la réalisation de la maquette texturée de la ville de Rennes, nous avons utilisé les deux  types de prises de vue aérienne : les clichés sources utilisés pour la fabrication de l’orthophotographie (bords déversés des clichés verticaux) et  les clichés obliques à 45 ° sur les 4 directions de vols.
 
Cette maquette 3D a donc utilisé la géométrie fournie par le service CARTE dans le format décrit dans le paragraphe précédent. La texturation a été réalisée sur l’ensemble des bâtiments de la ville (36 000 bâtiments). La texturation a utilisé 760 clichés obliques et 760 clichés verticaux en très haute résolution. Le temps de calcul de la texturation est de 4 heures pour l'exemple de Rennes.
 
Le calcul de texturation a été indexé par bâtiment. Le résultat a ensuite été exporté pour les différents moyens de visualisation utilisés par la ville de Rennes (Logiciel FEX d’exportation vers 3DSMAX, base VRML, plate-forme de visualisation urbaine Obé, application Rennes Citévisions).

La maquette 3D ainsi obtenue est manipulable par notre plate-forme de visualisation urbaine Obé. Au-delà de la simple navigation libre dans la maquette, cette application permet les actions suivantes :
 
·         insertion d’objets 3D (OSG, KML, COLLADA, VRML, …)
·         insertion de placemarks (KML, serveur WFS, …) au format HTML
·         insertion de vidéos, d’images ou de sons
·         insertion d’objets graphiques
·         utilisation de scripts interactifs (choix multiples)
·         calcul de poster haute définition
·         animation précalculée
·         outil de mesure  (distance, surface)
·         vision relief

Par ailleurs, nous avons unifié l’application PagesJaunes et Rennes Citévisions à partir de la même base logicielle qui fait appel à des couches serviciels paramétrables ( carto, images immersives, bases de données).

Il est toujours possible d’extraire la maquette 3D de la ville de Rennes au format 3D Analyst. La connexion de la maquette 3D avec le SIG est alors très intéressante mais reste relativement passive. Notre volonté est bien d’aller vers une intégration plus poussée de ces modèles 3D dans le SIG. Pour cela, l’utilisation d’un modèle paramétré paraît être une voie d’avenir.
 
L’originalité de l’approche de la Ville de Rennes est de proposer un modèle paramétrable sur l'ensemble de la chaîne de traitement et qui permet d’approcher la forme géométrique du bâtiment. Même si ce modèle possède actuellement ses limites (cas particuliers comme les immeubles sur pilotis ou les immeubles enjambant une route), la structuration proposée permet néanmoins d’aller jusqu’à la restitution réaliste de chaque bâtiment (géométrie conforme et texture vraie). Les traitements réalisés par exploitation des paramètres associés aux objets 3D gérés dans le SIG permettent l'automatisation complète du processus de génération des volumes 3D construits. La Ville de Rennes, qui possède par ailleurs la description topographique de ces espaces publics, envisage désormais  de perfectionner le réalisme des navigations au sol.
 
Le prochain objectif est bien de savoir fédérer au sein du système d’information toutes les composantes logicielles permettant de satisfaire ces nouveaux usages. Les besoins identifiés au niveau de la planification Urbaine, au sortir des réflexions qui accompagnent par exemple le Grenelle de l'Environnement, sont très importants. Longtemps cantonnés dans les registres de communication, les environnements  3D sont appelés, très certainement, à investir des registres de contribution éminemment plus techniques, et ceci dans tous les domaines du Génie Urbain (Urbanisme opérationnel, gestion de l'énergie ….). Aussi les collaborations qui ont été initialisées avec la société ESRI France dans le cadre d'un projet lié à la sécurité sont-elles appelées à se diversifier.