Développement et mise en œuvre d’un SIG 3D environnemental urbain D. Siret, M. Musy, F. Ramos, D. Groleau, P. Joanne Laboratoire CERMA – UMR CNRS 1563 École d’Architecture de Nantes Rue Massenet, BP 81931, F-44319 Nantes Cedex 3 {daniel.siret, marjorie.musy}@cerma.archi.fr RÉSUMÉ.

Les systèmes d’information géographique ont un rôle important à jouer en matière de développement durable urbain, tant pour ce qui concerne la collecte et l’analyse des propriétés environnementales des constructions et des espaces urbains, qu’en matière de communication et de concertation autour de ces enjeux dans les projets d’aménagement. À cette fin, les SIG doivent savoir prendre en compte la troisième dimension et s’interfacer avec des outils de simulation des phénomènes physiques urbains. Cet article présente une tentative de réponse à ces objectifs. Nous exposons la structure d’un SIG 3D environnemental urbain, actuellement développé et mis en œuvre dans des situations concrètes à Nantes, ainsi que les modalités d’intégration des données environnementales urbaines dans ce système. ABSTRACT.

Geographic information systems have a primary role to play for sustainable urban development, as tools for collecting and analyzing environmental properties of buildings and urban spaces, either as a support for communication and public participation in urban planning. To this end, GIS should take into account the third dimension and they should be able to interoperate with existing simulation tools of urban physical phenomena. This paper introduces an environmental urban 3D GIS system that aims at achieving these objectives. We expose the structure of the system, currently experienced in real urban processes in the city of Nantes, and we show the way environmental data is integrated to it. MOTS-CLÉS :

SIG 3D, Modélisation 3D, Simulation environnementale, Aménagement urbain,

Bâtiments. KEYWORDS: 3D

GIS, 3D Modelling, Environmental simulation, Urban planning, Buildings

Revue Internationale de Géomatique. Volume 16 – n° 1/2006, pages 71 à 91

1. Introduction Les questions liées au développement durable urbain donnent lieu à un intense foisonnement intellectuel depuis une dizaine d’années (cf. MEDD, 2002 pour une analyse bibliographique). Les problématiques soulevées touchent aux questions sociales et économiques, mais aussi aux problèmes liés à l’impact environnemental des constructions et des aménagements urbains. Les bâtiments (secteurs résidentiel et tertiaire) consomment actuellement plus de 40% de l’énergie finale consommée en France, et sont responsables de 20% des émissions de gaz à effet de serre 1. Par ailleurs, on estime que 60% de la surface du parc de résidences principales projeté en 2050 sont déjà construits aujourd’hui. On sait également qu’un grand nombre des immeubles collectifs existants ont été construits dans les années 1962-1975 (notamment sous la forme de grands ensembles périurbains), c’est-à-dire avant le premier choc pétrolier et les premières réglementations concernant l’isolation thermique des constructions. Dans ce contexte, une gestion environnementale des projets urbains apparaît aujourd’hui nécessaire. Elle implique une évaluation de l’impact environnemental des projets de transformation urbaine, qu’il s’agisse d’actions incitatives de réhabilitation, d’opérations de renouvellement urbain ou de projets d’extension. Cette évaluation porte notamment sur les prélèvements qu’opèrent les bâtiments et infrastructures urbaines en matière de ressources naturelles non renouvelables (espace, énergie), sur la production de déchets (gaz à effets de serre, pollution des sols et des cours d’eau), ou sur les implications des phénomènes physiques en matière d’ambiances urbaines et de confort intérieur des bâtiments (thermique, sonore, visuel). De nombreuses recherches en cours tentent d’évaluer ces effets et d’infléchir les projets urbains au moyen d’indicateurs environnementaux (cf. par exemple Cherqui et al, 2004). Les SIG peuvent jouer un rôle central dans l’accomplissement de ces objectifs. Ils permettent de capitaliser et de croiser les données environnementales urbaines, qu’elles soient issues d’observations ou de simulations de phénomènes physiques, à de multiples échelles spatiales et temporelles. Les SIG deviennent alors les lieux de construction et d’évaluation des indicateurs de durabilité urbaine, agrégeant les dimensions physiques, économiques, sociales et culturelles. Les SIG peuvent également faciliter le dialogue et la concertation entre les acteurs des projets urbains, en produisant une information environnementale complète, claire et lisible par les non-experts. De nombreuses études mettent ainsi l’accent sur le rôle central que peuvent jouer les systèmes d’information dans les processus de communication et de concertation en matière d’aménagement urbain (Laurini, 2001, Sten Hansen, 2004). Il existe une nécessité fondamentale d’utilisation de la troisième dimension pour les données environnementales caractérisant les bâtiments et les infrastructures urbaines. Il est par exemple très réducteur de représenter l’ensoleillement d’un 1. Cf. Mission Interministérielle de l’Effet de Serre : http://www.effet-de-serre.gouv.fr/

immeuble par un attribut moyen sur la parcelle. Non seulement les valeurs d’ensoleillement sont différentes suivant l'orientation des façades (qui peuvent avoir elles-mêmes des formes et hauteurs différentes) mais de plus, par les effets de masques propres aux milieux urbains denses, ces valeurs varient considérablement entre les niveaux bas et haut d’un même immeuble. Il en va de même pour ce qui concerne l’exposition au vent, aux bruits ou au regard. Dans tous ces cas, il est nécessaire de moduler les données en fonction des différents niveaux des bâtiments, c’est-à-dire d’affecter les données non pas aux entités géographiques représentées en deux dimensions, mais aux éléments composant l’enveloppe des objets analysés. Le développement de SIG 3D environnementaux urbains se situe ainsi à la croisée de deux domaines de recherche : – Celui de l’analyse environnementale des milieux urbains, développé de longue date dans de nombreux champs physiques (phénomènes sonores, pollution atmosphérique, hydrologie, accessibilité visuelle, etc). Même si la simulation de ces phénomènes est généralement réalisée dans l’espace 3D en intégrant les effets des bâtiments, les informations sont souvent produites dans une logique cartographique, plaquées au sol ou sur un plan horizontal arbitraire. Ces représentations ne renseignent pas sur les propriétés des bâtiments ; elles peuvent même s’avérer trompeuses en laissant supposer que l’on peut inférer ces propriétés par simple contiguïté spatiale. – Le domaine de la modélisation de l’information tridimensionnelle dans les bases de données géographiques, qui connaît de fortes extensions depuis dix ans (Cambray, 1994, De La Losa, 2000, Zlatanova, 2000, Ramos, 2003, Arens et al, 2003, Koehl, 2004). Ainsi, la troisième dimension fait progressivement son apparition au sein des SIG urbains, avec une grande variété d’applications (Shiode, 2001). Cependant, les possibilités de représentation 3D des informations urbaines sont souvent perçues comme un moyen de produire des images texturées photoréalistes. La 3D est alors envisagée comme une forme supplémentaire de visualisation interactive, sans interférer avec les modèles de données sous-jacents. Peu de systèmes proposent aujourd’hui une synthèse de ces deux voies et ces synthèses, lorsqu’elles existent, portent généralement sur une seule dimension de l’environnement urbain (cf. DRAST, 2003 pour la représentation des niveaux sonores sur les parois d’immeubles urbains, le long de voies de circulations, ou Gomes Mendes et al, 2003 pour la détermination d’indicateurs géométriques caractérisant les tissus urbains). Cet article propose une généralisation de ces approches à tous types d’information environnementale concernant les constructions et les espaces ouverts urbains. Nous y présentons un SIG 3D environnemental urbain, actuellement développé dans notre laboratoire et mis en œuvre dans des situations concrètes à Nantes. La première section expose la structure générale du système, le modèle de données et les méthodes proposées pour la reconstruction des fragments urbains analysés. Nous proposons une modélisation hiérarchique des bâtiments permettant

de représenter les parois extérieures par niveaux. Nous mettons en œuvre une technique de génération des bâtiments à partir d’informations sur leur façade, permettant en particulier de générer le modèle 3D à la volée. La section suivante présente les modalités d’intégration des données environnementales dans le système. Ces données sont principalement produites au moyen de systèmes de simulation numérique des phénomènes physiques. La grande diversité des données ainsi produites ne facilite pas les traitements, c’est pourquoi nous avons été amenés à proposer une nouvelle classification susceptible de généraliser les méthodes. Nous distinguons ainsi les informations environnementales de types attributaires, surfaciques, volumiques et illustratives. Nous détaillons ces classes et nous montrons les possibilités de traitement permettant de transformer les informations de type surfacique ou volumique en information attributaire. La dernière section expose deux exemples d’application du système dans des projets urbains récents à Nantes. Le premier concerne une opération incitative de réhabilitation de logement dans laquelle le SIG est appelé à jouer un rôle d’analyse de l’état du parc de logement et d’outil de communication auprès des maîtres d’ouvrage privés. Le second exemple montre l’usage du SIG dans une opération de renouvellement urbain. Il s’agit là encore de montrer les potentialités des différentes versions du projet urbain, et d’aider les acteurs dans la prise en compte des dimensions environnementales.

2. Structure du système proposé Notre objectif est de fournir un système d’information géographique, capable de manipuler des entités tridimensionnelles représentant les objets urbains (bâtiments décomposés en niveaux et parois, de formes a priori quelconques) et d’associer à ces entités construites des informations physiques environnementales, variables dans le temps et dans l’espace : ensoleillement, vent, son, etc. Pour ce faire, nous proposons un système modulaire articulant des outils de représentation 3D des entités construites et des outils de simulation des phénomènes physiques. Nous détaillons dans cette première partie l’organisation générale du système, le modèle de données mis en œuvre (primitives constructives utilisées et représentation géométrique 3D associée), ainsi que les techniques utilisées pour la reconstruction 3D des fragments urbains.

2.1. Organisation générale Le système est organisé autour de trois principaux modules, comme le montre la figure 1. Le module Simulation est constitué des logiciels développés ou utilisés par le laboratoire pour l’évaluation environnementale des constructions (cf. section 3). Le module ArcGIS est la solution commerciale retenue pour visualiser et manipuler

l’information produite par le système, après étude des différentes options disponibles sur le marché permettant la manipulation de scènes tridimensionnelles. Le module SIG_CERMA constitue l’apport principal en termes de développements informatiques. Il porte le modèle de données des primitives constructives et assure la communication entre les différentes entités du système (par l’échange et la conversion de fichiers principalement). Il fournit par ailleurs certaines fonctionnalités complémentaires de celles disponibles dans la solution ArcGIS. Le module SIG_CERMA interagit d’une part avec une base de données externe, dans laquelle la plupart des données et informations traitées par le système sont stockées, et d’autre part avec un ensemble de fichiers de formes, dans lesquels sont définies les caractéristiques tridimensionnelles des entités manipulées (faute de pouvoir les stocker efficacement dans la base de données). Ces formes, comme nous le verrons, sont décrites suivant un modèle de type B-REP, c’est-à-dire comme un ensemble de faces polygonales planes, avec une description topologique associée (cf. § 2.2.2).

Figure 1. Organisation générale du système

2.2. Modèle de données Le modèle de données mis en œuvre intéresse la représentation des bâtiments, sans tenir compte, pour l’instant, des entités urbaines (réseau viaire, infrastructures, espaces ouverts), ni du mobilier urbain. Ce modèle propose un compromis entre complexité du bâti, précision des simulations et masse de l’information à gérer. Il est simple tout en étant suffisamment précis pour manipuler les différents types d’informations attachées aux bâtiments. Dans ce modèle, nous distinguons une composante constructive qui décrit les grandes classes d’éléments (primitives) constituant le bâtiment, d’une composante géométrique qui permet d’associer une forme 3D aux primitives constructives. Un bâtiment est décrit par son emprise cadastrale, son enveloppe, ses façades, ses différents niveaux, les parois de ces niveaux (en distinguant les parois extérieures et les parois mitoyennes) et les éventuels éléments caractéristiques apposés sur les parois. Toutes ces informations peuvent être obtenues à partir du plan cadastral et de l’observation des façades in situ (cf. § 2.3). Le modèle de données ne permet pas de raffiner l’information jusqu’au logement, dans la mesure où le découpage d’un niveau en logements est en général difficile à deviner à partir des informations délivrées par l’enveloppe extérieure (ce découpage peut être particulièrement complexe dans certains immeubles anciens ou contemporains, ou parfaitement répétitif dans certaines constructions des années 1960 et 1970). De plus, hormis les éléments particuliers qui peuvent jouer un rôle important dans les simulations physiques (balcons et loggias par exemple), les fenêtres et autres éléments apposés sur les parois ne sont pas directement modélisés par une entité tridimensionnelle. Cependant, chaque paroi est qualifiée par un attribut indiquant son pourcentage de vitrage, information nécessaire pour la simulation énergétique. D’autres attributs utiles peuvent être rajoutés dans la base de données, sans faire l’objet d’une modélisation 3D. 2.2.1. Primitives constructives Pour décrire les bâtiments, nous proposons six classes de primitives constructives (dans le sens architectural du terme) qui dérivent toutes d’une classe mère. La figure 2 présente les relations de composition entre les différentes classes et illustre la décomposition d’un bâtiment suivant ces primitives. La classe mère possède les caractéristiques communes à toutes les autres classes impliquées dans la description du bâtiment. L’objet de type bâtiment est l’entité de plus haute abstraction. Il est composé d’un ou plusieurs niveaux. Différents types de représentations sont possibles, suivant que le bâtiment est le centre d’intérêt d’une étude, ou un simple élément de la scène. Lorsque le bâtiment n’est qu’un élément de l’environnement, une forme 3D globale peut suffire à le représenter. Lorsqu’il devient le sujet principal d’une étude, il est alors nécessaire de le représenter dans le détail, en faisant appel à sa décomposition en niveaux, façades ou parois.

Figure 2. Primitives constructives

Un objet de type niveau correspond à un étage du bâtiment ou éventuellement aux combles sous le toit du bâtiment. Dans un cas comme dans l’autre, le niveau peut être lui-même décomposé en parois et éléments de parois. L’objet de type paroi représente la surface correspondant à un pan de toit, à un sol ou à une partie de façade contenue dans un niveau. Une paroi peut être visible ou non depuis l’extérieur. Deux bâtiments mitoyens ont en commun une paroi non visible. Par ailleurs, ce caractère de mitoyenneté est pris en compte dans les simulations thermiques. Les données thématiques rattachées à la paroi sont : une référence vers le niveau père, le matériau, l’orientation (la normale du plan de la paroi), la surface, l’inertie, la mitoyenneté de la paroi (mitoyenne ou extérieure), le type de paroi (mur, sol, toit). Un objet de type façade regroupe un ensemble de parois réparties sur toute la hauteur du bâtiment. Enfin, un objet de type élément de paroi est une caractéristique suffisamment remarquable de la paroi pour qu’elle puisse être individualisée. Il peut s’agir d’une porte, d’une fenêtre, d’une baie, d’un panneau solaire, d’un balcon, dont la prise en compte morphologique s’avère indispensable à certaines simulations. De tels objets sont difficiles à modéliser de manière automatique, et donc malaisés à manipuler sur des territoires urbains de grande dimension. Nous ne les avons pas mis en œuvre dans nos applications actuelles.

2.2.2. Représentation géométrique 3D Le terrain support des bâtiments et des infrastructures urbaines est représenté par un modèle numérique triangulé classique, en dimension 2,5 (une seule cote z pour chaque couple x,y). Les bâtiments peuvent difficilement être modélisés de cette manière, la représentation 2,5D s’avérant souvent un obstacle pour la mise en œuvre de simulations physiques. Nous avons donc choisi un modèle géométrique de type B-REP (Boundary REPresentation) pour les formes construites, c’est-à-dire une description de la frontière de la forme par un ensemble de faces planes et par un modèle topologique associé (Cambray 1994, Ramos, 2003). À chaque primitive du modèle constructif est associée une forme géométrique 3D. Pour implémenter ce modèle géométrique, nous nous sommes appuyés sur la librairie Geotools.net 2, qui propose diverses fonctionnalités intéressantes pour nos applications : une implémentation du modèle de données spatiales défini par l’Open GIS Consortium, une implémentation de nombreux algorithmes fondamentaux de calculs sur les géométries 2D, ainsi que des méthodes d’import et export de données depuis et vers les principaux formats utilisés dans le domaine de l’information géographique. Parmi l’ensemble des types de primitives géométriques que propose la librairie Geotools.net, nous nous sommes restreints aux seules primitives polygonales. Au sens Geotools.net, une primitive de type polygon distingue le contour externe du polygone et les éventuels contours des trous à l’intérieur de celui-ci. Dans un cas comme dans l’autre, les contours sont représentés par des listes de coordonnées x,y,z. Toute forme géométrique de la scène modélisée est représentée par la classe SIG_FORME3D qui est composée d’une liste de SIG_FACE. Un attribut TypeForme informe sur la nature de la forme (plane ou volumique). La classe SIG_FACE possède un identifiant, une référence vers une ou plusieurs géométries de type polygon au sens Geotools.net, un type et une normale. Tous les polygones formant une même face doivent être coplanaires. Notons que cette structure de données, classique en CAO et en synthèse d’image, permet de décrire la plupart des objets architecturaux ou urbains. Elle offre une grande souplesse pour importer des données géométriques issues de modeleurs 3D ou de bases de données tierces (figure 3). Elle facilite également l’interfaçage avec les codes de calculs utilisant des maillages surfaciques ou volumiques, qui sont couramment utilisés dans les applications environnementales (cf. section 3). Enfin, elle se prête bien à la mise en œuvre de textures, qui peuvent être utiles pour la visualisation des bâtiments (plaquage de photographies des façades), ou pour l’affichage des résultats de simulation (nous proposons ainsi plus loin la notion de « texture de simulation »).

2. http://geotoolsnet.sourceforge.net/index.html

Figure 3. Récupération de données issues de modeleurs géométriques 3D dans le SIG (ici, une partie du centre-ville de Nantes)

2.3. Reconstruction 3D des fragments urbains analysés La reconstitution volumétrique d’ensembles urbains est une question difficile. Le nombre, l’hétérogénéité et la complexité des formes bâties, sont autant de facteurs rendant généralement laborieuse et coûteuse la réalisation de maquettes 3D de larges zones urbaines. Plusieurs approches sont proposées ; elles reposent sur des outils de CAO, des techniques photogrammétriques terrestres ou aériennes (Koehl, 2004), des méthodes d’acquisition laser, de vision par ordinateur, ou encore des systèmes à base de connaissances et de règles expertes (Allani-Bouhoula, 1999). Nombre de travaux se heurtent selon nous, à l’ambition d’aboutir à une maquette complète et définitive des environnements urbains étudiés. Cette ambition conduit à récolter, à organiser et à structurer un ensemble considérable de données qu’il s’agit ensuite de transformer en objets 3D plus ou moins bien renseignés. Ces approches sont très coûteuses en temps, et la maquette 3D ainsi obtenue est généralement figée, rendant difficile toute adaptation ultérieure. Or, la plupart des outils de simulation des phénomènes physiques s’appuient sur des modèles géométriques spécifiques, dont les formats mais aussi les paramètres pertinents peuvent être très différents. Nous avons choisi une approche plus souple qui vise à obtenir une représentation pseudo réaliste de la zone urbaine considérée, en accord avec la modélisation et la précision exigées par les analyses environnementales conduites sur les bâtiments. Il ne s’agit donc pas d’obtenir une maquette définitive, rendant compte de tous les

détails morphologiques et matériels des constructions, mais plutôt de construire rapidement et à la demande, une maquette représentant la zone urbaine, de manière suffisamment fidèle pour que les analyses environnementales menées par la suite puissent être considérées comme valides. En pratique, la méthode consiste à définir un bâtiment à partir de son emprise cadastrale, puis à documenter la fiche de ce bâtiment avec un ensemble d’informations relevées in situ (période de construction, type de structure, nombre de niveaux, etc.). Ces informations sont obtenues par la simple observation des enveloppes depuis l’espace public (cf. figure 4). Elles sont ensuite intégrées à la base de données et utilisées directement pour construire les entités 3D (cf. figure 5). Les parois mitoyennes sont automatiquement détectées à partir des emprises cadastrales et des élévations des bâtiments ; cet attribut essentiel pour la simulation énergétique est ajouté aux entités de type parois de la base de données. Dans l’état actuel de nos développements, les toitures ne sont pas modélisées ; des développements futurs en ce sens pourraient mettre en œuvre les techniques de reconstruction à base de connaissances (Allani-Bouhoula, 1999).

Figure 4. La reconstruction 3D des enveloppes construites s’effectue à partir de leur emprise cadastrale et d’un ensemble d’informations collectées in situ

Naturellement, la qualité finale de la maquette 3D ainsi produite dépend de la précision des informations collectées in situ. Le dispositif peut être complété par la mise en œuvre d’outils de mesure (distancemètres) et d’assistants personnels, qui facilitent la prise de notes et permettent d’éviter les risques d’erreurs entre le carnet électronique et la base de données. Notons également que les collectivités maîtres d’ouvrage des aménagements urbains disposent en général d’une connaissance

approfondie de tout ou partie des bâtiments composant la zone (études précédentes, inventaires de patrimoine, etc.), si bien qu’une partie des données nécessaires à la modélisation 3D de la zone peut être obtenue de manière fiable et rapide par ce biais.

Figure 5. Illustration du processus de reconstruction 3D : les entités (bâtiments, niveaux, parois) sont créées dans la base de données et dans les fichiers de formes

3. Intégration des données environnementales Les données environnementales sont obtenues par simulation au moyen de logiciels spécifiques, ou bien collectées in situ, par le biais de mesures ou d’observations. Les premières sont issues de différents logiciels, développés en propre au laboratoire ou faisant l’objet d’une diffusion commerciale : SOLENE pour la simulation du rayonnement solaire lumineux et thermique (Miguet et al, 2002), FLUENT pour la simulation des écoulements du vent 3, SOUNDPLAN pour la simulation des niveaux sonores 4, ENERGYPLUS pour la simulation énergétique des bâtiments (Drury et al., 2001). Le couplage entre ces outils de simulation et le SIG s’effectue principalement par échange et conversion de fichiers. Plusieurs modules

3. http://www.fluent.com/ 4. http://www.soundplan.com/

d’interprétation et de conversion ont été développés à cette fin. Ces modules ont été intégrés sous forme de librairies accessibles depuis le SIG. La grande diversité de ces données environnementales ne facilite pas leurs traitements, c’est pourquoi nous avons été amenés à proposer une classification susceptible de généraliser les méthodes. Nous distinguons quatre classes différentes d’information environnementale, que nous proposons de désigner sous les termes d’information attributaire, surfacique, volumique et illustrative. La présente section détaille ces différentes classes et montre les possibilités de traitement permettant de transformer les informations de type surfacique ou volumique en information attributaire.

3.1. Information attributaire Les informations attributaires sont directement associées à une primitive constructive. Ce sont par exemple les données concernant la date de construction du bâtiment, l’usage des locaux (données associées au bâtiment ou au niveau), le type constructif ou encore le pourcentage de vitrage (attribut de la façade ou de la paroi). Des informations plus physiques peuvent être attribuées, comme les caractéristiques des matériaux constitutifs des parois, les propriétés de l’enveloppe telles que la résistance thermique ou la perméabilité à l’air, ou encore les consommations énergétiques. Certaines de ces données sont collectées in situ (usage du bâtiment ou période de construction). D’autres sont produites par déduction (résistance thermique à partir de la connaissance du système constructif par exemple). D’autres attributs enfin sont issus des résultats de simulation, comme décrit ci-après.

3.2. Information surfacique Les simulations des interactions entre les phénomènes physiques urbains et les bâtiments ne fournissent généralement pas des valeurs directement associables aux entités construites. Les logiciels de simulation produisent une information de type surfacique, sous forme de champs de valeurs déployés sur les parois extérieures des bâtiments (durées d’ensoleillement, flux énergétiques incidents, niveaux sonores, pression due au vent, etc.). De plus, cette information surfacique peut être variable dans le temps, ou dépendre des hypothèses physiques définies pour simuler le phénomène (ciel clair ou couvert, saison, trafic routier, direction du vent, etc.). Il s’agit alors de transformer cette information surfacique en information attributaire associée aux primitives géométriques représentant l’enveloppe des bâtiments, c’està-dire les parois ou les façades. Les méthodes de transformation utilisées varient suivant les phénomènes. Nous avons principalement traité le cas de l’ensoleillement, dans sa composante lumineuse et énergétique. Les données issues des simulations solaires réalisées par

SOLENE se présentent sous la forme de champs de valeurs associées à un maillage surfacique des bâtiments. Il est nécessaire d’agréger les résultats des simulations pour les intégrer au SIG. Pour cela, nous récupérons la durée d’ensoleillement et le flux incident sur chaque paroi de chaque niveau du bâtiment, et ceci pour chaque matinée et après-midi des trois situations représentatives que sont les deux solstices et l’une ou l’autre des équinoxes (lecture et interprétation des fichiers de valeurs produits par SOLENE). Nous intégrons les résultats obtenus sur ces six périodes afin d’aboutir à un ensemble de 48 valeurs décrivant la moyenne, l’écart-type, le minimum et le maximum de durée d’ensoleillement et de flux solaire pour chaque demi-journée de chaque date (cf. figure 6). Ces valeurs sont stockées comme autant d’attributs des parois dans la base de données. L’écart-type, le maximum et le minimum sont utilisés pour caractériser l’homogénéité de l’ensoleillement sur l’ensemble de la paroi, certains effets de masque locaux pouvant en effet entraîner de grandes variations d’ensoleillement sur une même paroi.

Figure 6. Transformation d’un ensemble d’informations surfaciques (durées d’ensoleillement) en information attributaire associée aux entités de type paroi

Une autre façon d’intégrer les résultats de simulations surfaciques réside dans la possibilité de générer des images que nous appelons « textures de simulation ». SOLENE peut produire des dégradés de couleurs représentatifs de l’intensité de tel ou tel phénomène. L’idée est de récupérer sous forme d’image ces dégradés de couleurs et de les plaquer sur les façades correspondantes dans le SIG. Cette « texture de simulation » fournit à l’utilisateur des indications qualitatives et quantitatives sur le phénomène.

3.3. Information volumique Le calcul des écoulements du vent ou de la propagation du son dans les formes urbaines par exemple, produit des champs de valeurs volumiques (valeurs aux points du maillage utilisé pour la discrétisation du volume étudié). Deux types d’exploitation de ces informations peuvent être mis en oeuvre. Le premier consiste à effectuer une coupe horizontale dans le champ de valeurs, afin par exemple d’obtenir le niveau sonore ou la vitesse du vent à la hauteur des piétons. Les valeurs obtenues pourront ensuite être projetées sur le sol et traitées avec les techniques classiques de l’analyse spatiale en deux dimensions (figure 7, en bas). Le second mode d’exploitation consiste à projeter des données volumiques 3D sur les enveloppes des bâtiments, en utilisant des méthodes d’interpolation ou d’extrapolation des valeurs calculées dans les mailles les plus proches. On obtient alors une information surfacique du phénomène à proximité immédiate des parois. Cette information surfacique pourra être traitée comme décrit ci-avant (§ 4.2) pour aboutir à une information attributaire exploitable dans les requêtes, ou encore à des « textures de simulation » illustrant le phénomène (figure 7, en haut).

Figure 7. Transformation d’une information volumique par coupe horizontale (en bas) et par projection sur les enveloppes (en haut). Dans cet exemple, la simulation montre les champs de vitesse autour des immeubles (en bas) et les pressions dynamiques sur les parois (en haut).

D’autres données spatiales peuvent également être intégrées, comme les relevés sur site de vitesses de vent ou de niveaux sonores. Ces informations volumiques seront traitées différemment des informations similaires obtenues par simulation, dans la mesure où la finesse du maillage de relevé (quelques points de mesure) ne permet pas d’interpolation ou d’extrapolation. Il faudra alors, pour les opérations de projection sur les façades par exemple, tenir compte des lois spécifiques d’atténuation du phénomène.

3.4. Informations illustratives En plus des informations décrites ci-dessus, nous sommes amenés à traiter dans le SIG des informations que nous avons classées dans la famille des illustrations. Il peut s’agir d’illustrations textuelles (résultats d’enquêtes, expertises des façades, notes diverses), graphiques (photographies ou dessins, relevés thermographiques des façades ou issus de télédétection satellitaire, permettant de connaître la perméabilité des enveloppes aux transferts thermiques) et sonores (enregistrements in situ). Ces illustrations seront associées aux entités pertinentes : façades ou parois pour les illustrations graphiques, points de l’espace pour les bandes-son par exemple. Sans l’avoir encore réalisé concrètement, nous avons imaginé différents processus permettant de transformer certaines informations illustratives en information attributaire. Les relevés thermographiques de façade par exemple, peuvent donner des indices de « porosité thermique » qu’il serait intéressant d’associer aux parois des bâtiments. De même, les relevés acoustiques peuvent être exploités pour qualifier des types de paysage sonore susceptibles d’être associés aux façades.

4. Applications Le système décrit ici a été proposé et mis en œuvre dans le cadre de deux opérations urbaines à Nantes : une opération incitative pour la réhabilitation du parc des logements et des bâtiments tertiaires d’un quartier du centre-ville (OPATB Ile de Nantes), et une opération de renouvellement urbain d’un quartier de tours et de barres typique de l’urbanisme des années 1970 (GPV Malakoff-Pré Gauchet). Nous illustrons ici les possibilités offertes par le système en matière de cartographie environnementale des enveloppes construites et des espaces extérieurs, dans les phases de diagnostic et de communication entre les acteurs des projets.

4.1. Une opération de réhabilitation de bâtiments Pour répondre aux enjeux environnementaux liés à la requalification des bâtiments existants (cf. Introduction), l’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie (ADEME) et l’Agence Nationale pour l’Amélioration de l’Habitat

(ANAH) ont mis en oeuvre de nouveaux dispositifs incitatifs : les Opérations Programmées d’Amélioration Thermique et énergétique des Bâtiments (OPATB) 5. Ces opérations de partenariat entre les collectivités locales et des organismes d’Etat sont conçues sur le principe des OPAH (Opérations Programmées d’Amélioration de l’Habitat), auxquelles elles ajoutent un fort volet environnemental. Dans ce contexte général, nous avons proposé d’utiliser notre prototype SIG 3D pour constituer un outil d’analyse des potentialités d’amélioration environnementale des enveloppes des bâtiments, dans le cadre de l’OPATB en cours à Nantes. Nous avons ciblé la question de l’ensoleillement des façades, afin de fournir une cartographie des apports solaires hivernaux gratuits à chaque niveau des bâtiments, et une estimation des surchauffes estivales potentielles, dans l’objectif de freiner le développement des systèmes de climatisation par une gestion passive efficace de l’ensoleillement. Par ailleurs, le système permet également de cartographier les enveloppes des bâtiments (murs ou toitures) permettant d’exploiter l’énergie solaire par la mise en œuvre de capteurs thermiques ou photovoltaïques. En milieu urbain, cette question renvoie à différentes problématiques : l’évaluation technique du rayonnement solaire sur les parois tout au long de l’année, le diagnostic de la pertinence des installations solaires en fonction des usages des bâtiments (logement collectif ou bâtiments à usage tertiaire), et la question de l’acceptation visuelle qui suppose notamment d’évaluer l’empreinte visuelle des bâtiments sur l’espace public. En effet, les règlements existant en matière de protection du patrimoine architectural sont basés sur les relations d’intervisibilité entre les objets considérés et l’espace public. Ces arguments visuels sont souvent mis en avant pour empêcher toute modification importante des enveloppes, et notamment l’intégration de dispositifs solaires en façade, même si la façade concernée n’est pas très fortement visible dans le périmètre de protection. Une manière d’éviter ces difficultés consiste à établir l’empreinte visuelle exacte des façades ciblées sur l’espace public attenant, de manière à désamorcer les éventuelles contestations. Le système actuellement en cours de développement agrège les résultats des simulations solaires de manière à fournir une information cartographique 3D synthétique et facile à interpréter (cf. figure 8). L’outil ne produit pas de solution d’optimisation, mais propose un support de sensibilisation des maîtres d’ouvrage privés (propriétaires des bâtiments) et de concertation entre les acteurs (architectes, maîtres d’ouvrage, collectivité). Nous envisageons de proposer une version en ligne des résultats, servant de support de communication pour l’OPATB. L’utilisation du SIG 3D se ferait alors dans une perspective de sensibilisation et de communication avant tout, à l’image de l’opération de thermographie infrarouge mise en œuvre par la Communauté Urbaine Dunkerque Grand Littoral pour sensibiliser le public aux déperditions énergétiques des constructions 6.

5. Voir le site de l’ADEME, rubrique Collectivités, OPATB : http://www.ademe.fr 6. Cf. le site de la Communauté urbaine Dunkerque Grand Littoral, rubrique Thermographie : http://www.dunkerquegrandlittoral.org

Figure 8. Exemple d’une requête attributaire : sélection de l’ensemble des parois exposées au soleil plus de 2 heures en hiver et moins de 6 heures en été

4.2. Une opération de renouvellement urbain Dans le cadre du Grand Projet de Ville (GPV) Malakoff-Pré-Gauchet à Nantes, nous avons proposé d’évaluer l’outil SIG 3D à travers un exercice d’analyse des qualités environnementales des espaces ouverts extérieurs d’un quartier développé dans les années 1970 par un urbanisme de barres et de tours aujourd’hui contesté. Nous avons dans un premier temps réalisé un ensemble de simulations d’ensoleillement, d’exposition au vent et au son du quartier étudié, en prenant en compte plusieurs scénarii : différentes directions de vent, fréquentations des voies routières et ferroviaires pour les simulations sonores, périodes de l’année pour l’ensoleillement. À partir des données volumiques des simulations aérauliques et sonores, nous avons extrait les informations correspondant aux vitesses de vent et aux niveaux sonores à la hauteur d’un piéton. Ces informations surfaciques ont alors été croisées aux informations issues des simulations d’ensoleillement, puis superposées au projet d’aménagement des espaces extérieurs. Entre autres résultats, nous avons ainsi fait apparaître, comme l’illustre la figure 9, des zones d’inconfort probable, où la vitesse du vent est supérieure à une vitesse de référence donnée (4m/s dans la direction nord-est pour notre exemple) et la durée d’ensoleillement inférieure à un seuil fixé (2 heures en hiver). D’autres analyses environnementales ont été menées en suivant les mêmes principes. Elles ont permis une forte sensibilisation des acteurs (cabinet d’urbanisme

chargé de l’opération, maître d’ouvrage) à la nécessité de prendre en compte les paramètres environnementaux qui, comme d’autres facteurs plus habituels (voirie, réglementation urbaine, etc.) ont participé à l’ajustement du projet : emplacements, formes et orientations des bâtiments.

Figure 9. Exemple d’une requête spatiale : zones d’inconfort probable dans l’espace extérieur (ensoleillement inférieur à 2 heures en hiver et vitesses de vent supérieures à 4m/s dans la direction nord-est)

5. Conclusion et perspectives

5.1. Synthèse de la problématique et des résultats obtenus L’ambition d’un développement urbain durable appelle de nouveaux outils de diagnostic environnemental des espaces urbains existants ou en projet. Par les possibilités d’analyse et de communication qu’ils offrent, par leur ancrage dans les services techniques des villes, les systèmes d’information géographique apparaissent comme les supports naturels de ces développements. Ils doivent cependant s’étendre pour prendre en compte la troisième dimension autrement que de manière seulement illustrative, et savoir interagir avec les outils de simulation des phénomènes

physiques existants. Ces deux extensions laissent ainsi entrevoir de nouveaux SIG 3D environnementaux urbains, susceptibles de devenir des outils communs de gestion des villes, en matière de réhabilitation, de renouvellement urbain ou d’extension urbaine. Notre laboratoire a entrepris d’explorer cette voie de manière pragmatique. Nous nous sommes appuyés sur un SIG commercial existant et nous avons mis à profit les connaissances acquises en matière de CAO 3D bâtiment pour construire un modèle de données adapté. Sauf cas particulier (en matière d’intervisibilité par exemple), nous n’avons pas cherché à rajouter des fonctions de simulation au système, mais plutôt à intégrer le plus efficacement possible les résultats de logiciels tiers éprouvés (SOLENE, FLUENT, SOUNDPLAN, ENERGYPLUS, etc.) ; ces outils bénéficient d’une communauté d’utilisateurs importante et connaissent des évolutions régulières. Enfin, nous avons souhaité développer ce système en partenariat avec les collectivités locales (ville de Nantes et communauté urbaine Nantes Métropole), de manière à cerner les multiples dimensions qui interagissent dans les processus de conception des projets urbains. Dans cet article, nous avons exposé l’organisation générale du système, le modèle de données mis en œuvre et l’approche choisie pour reconstruire les scènes urbaines. Nous avons ensuite montré les modalités d’intégration de l’information environnementale dans le système, en distinguant les informations de types attributaires, surfaciques, volumiques et illustratives. Enfin, nous avons donné deux exemples concrets de mise en œuvre de cet outil dans une perspective d’aide à la concertation et à la décision pour deux projets urbains, l’un concernant un programme incitatif de réhabilitation de logements répartis sur une large zone, l’autre un projet de renouvellement urbain impliquant la destruction et la reconstruction d’immeubles de logements. Ces développements fournissent une preuve de faisabilité du SIG 3D environnemental que nous invoquons ; ils ne font qu’esquisser les premières pistes d’un travail envisagé sur le long terme.

5.2. Perspectives Un travail important reste à faire pour concrétiser nos objectifs dans un outil qui dépasse le stade du prototype démonstratif. Nos premiers développements devraient être orientés vers une meilleure reconstitution 3D des objets urbains (import des données IGN, modélisation des toitures à l’aide d’une base de connaissances, prise en compte des éléments de parois significatifs, etc.). Par ailleurs, le modèle de données doit être étendu de manière à représenter les espaces urbains ouverts (réseau viaire, espaces publics ouverts) ainsi que les infrastructures, voire le mobilier urbain pour les études de visibilité. Nos expériences actuelles montrent également que la notion de « corps de bâtiment » fait défaut, pour distinguer les parties d’un même bâtiment présentant des formes très différentes. Ces extensions sont actuellement en cours.

L’interfaçage avec les outils de simulation doit être rendu plus efficace en s’adaptant à la nature de l’information produite (surfacique, volumique ou illustrative) plutôt qu’au format des résultats, comme nous le faisons actuellement. Des mécanismes généraux et robustes doivent être développés en ce sens, de manière à pouvoir ouvrir la palette des outils de simulation et à garantir leur interopérabilité avec le système. Notons cependant que la plupart des outils de simulation mis en oeuvre appellent une certaine expertise physique, si bien que l’usage du SIG reste, en l’état actuel, réservé aux physiciens et ingénieurs experts de ces questions (mécanique des fluides, rayonnement, acoustique notamment). Sur le plan de l’analyse environnementale, de nouvelles techniques de requêtes spatiales et attributaires doivent être introduites pour tenir compte du caractère spatio-temporel de l’information. De manière plus générale, une réflexion doit être conduite sur la représentation des données environnementales urbaines, et notamment sur la question de leurs multiples échelles d’appréhension, spatiales et temporelles (de la façade à la ville entière, de la seconde à l’année entière, suivant les phénomènes). Cette réflexion devrait être mise en œuvre prochainement. Un travail théorique sur les indicateurs environnementaux pertinents en matière de gestion urbaine reste également à entreprendre. Sur le plan de présentation des données, de nouvelles méthodes permettant de prendre connaissance, et d’analyser efficacement l’information 3D doivent être développées. Les vues perspectives sont en général inefficaces, d’une part parce qu’une partie de l’information est nécessairement masquée (le vol dans la scène ne garantit pas de prendre connaissance de toute l’information utile), et d’autre part parce que l’information visible est déformée par les effets de la perspective. Des techniques comme le développé de façade (vue frontale d’un ensemble de façades urbaines formant un bâtiment, un îlot ou une rue, consécutivement dépliées dans le même plan) nous paraissent prometteuses.

Les auteurs tiennent à remercier D. Chérel (ADEME), N. Bedjaoui (Ville de Nantes), L. Huchet du Guermeur, M. Guillard et A. Mallet (communauté urbaine Nantes-Métropole), C. Tuffery (ESRI-France), ainsi que toutes les personnes qui ont contribué au développement de cette recherche.

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