Application des cartes combinatoires à la modélisation géométrique et sémantique des bâtiments

202 Pages·2016·24.28 MB·French

by  Abdoulaye Abou Diakite

Application des cartes combinatoires à la modélisation
géométrique et sémantique des bâtiments
Abdoulaye Abou Diakite
To cite this version:
Abdoulaye Abou Diakite. Application des cartes combinatoires à la modélisation géométrique et
sémantique des bâtiments. Modélisation et simulation. Université Claude Bernard - Lyon I, 2015.
Français. ￿NNT: 2015LYO10281￿. ￿tel-01314440￿
HAL Id: tel-01314440
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THÈSE
pour obtenir le grade de
docteur en informatique l université de lyon
de ’
Informatique et Mathématiques
École Doctorale :
Informatique Graphique
Domaine de Recherche :
Présentée et soutenue publiquement par
ABDOULAYE ABOU DIAKITÉ
11 décembre 2015
le
APPLICATION DES CARTES COMBINATOIRES À LA
MODÉLISATION GÉOMÉTRIQUE ET SÉMANTIQUE
DES BÂTIMENTS
Sous la direction de
Guillaume Damiand Dirk Van-Maercke
et
Composition du jury
M. Florent Lafarge, Chercheur HDR à INRIA Rapporteur
M. Christophe Nicolle, Professeur à l’Université de Bourgogne, LE2I Rapporteur
M. Gérard Hégron, Directeur de Recherche, IFSTTAR Examinateur
M. Nicolas Paparoditis, Directeur de Recherche, IGN Examinateur
M. Florent Dupont, Professeur à l’Université de Lyon 1, LIRIS Examinateur
M. Guillaume Damiand, Chercheur HDR au CNRS, LIRIS Directeur de thèse
M. Dirk Van-Maercke, Ingénieur CSTB, Grenoble Co-Directeur de thèse

À la mémoire de mon père, Dr. Abou Siddick Diakité...
résumé
3
Les modèles D de bâtiment sont largement utilisés dans l’industrie de la
construction et sont nécessités par plusieurs applications telles que la repré-
sentation architecturale et les processus de simulation. Malheureusement, ces
modèles manquent souvent d’informations d’une importance majeure pour per-
mettre d’effectuer des opérations d’analyse et de calcul. Les modèles originaux
sont alors souvent reconstruits par les différents acteurs qui les utilisent afin de
les rendre plus adaptés à leur besoins.
Dans le but de pallier ce problème, nous introduisons une approche permet-
3
tant d’enrichir un modèle D de bâtiment et le rendre beaucoup plus interopé-
rable. À partir de l’information géométrique seulement, nous rajoutons au mo-
dèle des informations topologiques et sémantiques. Une subdivision cellulaire
de l’espace occupé par le bâtiment est d’abord effectuée en se basant sur sa
géométrie, puis les relations topologiques entre les cellules sont reconstruites et
explicitement définies. Des étiquettes sémantiques sont ensuite attribuées aux
composants identifiés du bâtiment à l’aide de la topologie reconstruite et des
règles heuristiques prédéfinies.
Une structure de données topologique appelée carte combinatoire 3D (3-carte)
est utilisée comme une base solide pour la mise au point des opération de re-
construction et le traitement des informations reconstruites. À partir du modèle
enrichi, nous montrons comment extraire des données pour des applications
dédiées, par exemple la simulation acoustique et lancer de rayon pour la naviga-
tion intérieure. Notre méthode se présente comme un pont entre les approches
de modélisation et les applications d’analyse du bâtiment qui utilisent ces mo-
dèles. Il est entièrement automatique et présente des résultats intéressants sur
plusieurs types de modèles.
mots clés
: Cartes Combinatoires, Topologie, Sémantique, BIM, SIG, Simu-
lation sur Bâtiment.
iv
APPLICATION OF THE COMBINATIORIAL MAPS TO
GEOMETRIC AND SEMANTIC MODELLING OF BUILDINGS
abstract
3
D building models are widely used in the civil engineering industry. While
the models are needed by several applications, such as architectural representa-
tions and simulation processes, they often lack of information that are of major
importance for the consistency of the calculations. The original models are then
often rebuilt in the way that fits better to the intended applications.
To overcome this drawback, we introduce a framework allowing to enrich a
3
D model of a building presenting just a geometry, in a way more interoperable
model, by adding to it topological and semantic information. A cellular subdi-
vision of the building space is first performed relying on its geometry, then the
topological relationships between the cells are explicitely defined. Semantic la-
bels are then attributed to the identified components based on the topology and
defined heuristic rules.
A 3D combinatorial map data structure (3-map) is used to handle the re-
constructed information. From the enriched model we show how to extract
applications-driven information allowing to perform acoustic simulation and
indoor ray tracing navigation. The approach stands as a bridge between the
modeling approaches and the applications in building analysis using the model.
It is fully automatic and present interesting results on several types of building
models.
keywords
:
Combinatorial Maps, Topology, Semantic, BIM, GIS, Building Simulation.
Abdoulaye Abou Diakité - Laboratoire d’InfoRmatique en Image et Systèmes
5205
d’information (LIRIS) - CNRS UMR Université Claude Bernard, Bâtiment
710 43 11 1918 69622
Nautibus ( ), Boulevard du Novembre , Villeurbanne Cedex.
v
ACKNOWLEDGMENTS
Ce travail, bien qu’il soit à mon nom, n’aurait sans doute pas été possible sans
l’aide et le soutien de plusieurs individus. À commencer par ma chère mère,
Ndèye Diouga, mon éternel supportrice et conseillère en toute circonstance. Elle
estàlatêted’unelistedemembresdefamilleetd’amisprochesquejenem’aven-
turerai point à citer, au risque d’en oublier certains. Ce sont leurs prières et leur
présence dans ma vie qui ont fait de moi ce que suis. Merci à vous.
Par ailleurs, comment pourrais-je ne pas remercier tous mes collègues du LI-
RIS grâce à qui j’ai pu parachever ce travail dans une ambiance parfaitement
adéquate (... bien entendu, si l’on fait fi des innombrables pauses, des assauts
imprévisiblles de Nerf, des blagues à deux balles du vendredi, des actes de ven-
dalismes à répétition sur mon bureau et j’en passe... :p). Parmi eux je me dois
de citer Guillaume, mon encadrant qui, au delà du contrat qui nous lie, a su
motiver et maintenir ma passion de chercheur et rendre notre collaboration ai-
sée et productive. Ensuite, j’éviterai une fois de plus de citer plus de noms, mais
merci à vous les membres de ce cher bureau du LIRIS1 que je ne suis pas prêt
16 30
d’oublier, de même que tous les membres de la pause café de h qui s’est
imposée avec le temps, embarquant d’ailleurs certains permanents du labo qui
se reconnaitront.
Un grand merci à tous. Ce travail est notre réussite;)
vi
TABLE DES MATIÈRES
1 introduction et contexte 1
2 étude bibliographique 5
21 3 7
. Les Différents Types de Données D de Bâtiment . . . . . . . . . .
211 7
. . Modèles bâtiments de type BIM . . . . . . . . . . . . . . . . . .
212 8
. . Modèles bâtiments de type SIG . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22 10
. Traitement des Bâtiments Sans Supports Numériques . . . . . . . .
221 11
. . Travaux axés sur l’intérieur des bâtiments . . . . . . . . . . . .
222 15
. . Travaux axés sur l’extérieur des bâtiments . . . . . . . . . . . .
223 22
. . Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23 24
. Traitement des Bâtiments avec Supports Numériques . . . . . . . .
231
. . Bâtiments possédant des supports de type esquisses ou plans
2 25
D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
232 27
. . Bâtiments possédant des modèles de type CAAO . . . . . . .
233 30
. . Bâtiments possédant des modèles de type BIM . . . . . . . . .
234 31
. . Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24 33
. Les Structures de Données Pour Modéliser des Bâtiments . . . . .
241 33
. . Notions de bases sur les structures de données topologiques .
242 35
. . Structures de données topologiques utilisées dans la littérature
243 37
. . Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25 38
. Les cartes combinatoires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
251 38
. . Définitions de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.2 Opération de i-couture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.5.3 Opération de i-suppression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.5.4 Opération de i-insertion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
255 47
. . Attributs et LCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.6 Pourquoi utiliser des 3-cartes dans nos travaux? . . . . . . . . 47
3 reconstruction topologique de bâtiments 3d 49
31 52
. Vision Globale de l’Algorithme de Reconstruction . . . . . . . . . .
311 52
. . Préconditions sur les Données de Départ . . . . . . . . . . . .
312 53
. . Données d’Entrée et de Sortie Pour Chaque Étape . . . . . . .
32 55
. Chargement de la géométrie dans l’EBM-LCC . . . . . . . . . . . .
33 56
. Prétraitements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1 Fusion des 0-cellules proches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
vii
viii Table des matières
3.3.2 Suppression des 2-cellules dégénérées . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3.3 Correction des 2-cellules non simples . . . . . . . . . . . . . . . 61
334 65
. . Suppression des clones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.5 Fusion des 2-cellules coplanaires . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
34 69
. Methode de Reconstruction Classique . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 Reconstruction des liens entre les 2-cellules . . . . . . . . . . . 69
3.4.2 Reconstitution des liens entre les 3-cellules . . . . . . . . . . . 76
35 89
. Methode de Reconstruction Avancée . . . . . . . . . . . . . . . . . .
351 89
. . Faces manquantes ou en trop et problèmes d’orientation . . .
352
. . Principe Général du Smart Spatial Subdivision Reconstruc-
tion (3SR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.5.3 Reconstruction des Liens entre les 2-cellules . . . . . . . . . . . 94
3.5.4 Reconstruction des Liens entre les 3-cellules . . . . . . . . . . . 97
36 99
. Problèmes de précision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 identification automatique de l information sémantique
’
103
41 106
. Étiquetage Sémantique Automatique de modèles BIM . . . . . . .
411 106
. . Formalisme topologique pour les BIMs . . . . . . . . . . . . .
412 107
. . Identification des composants BIMs . . . . . . . . . . . . . . .
42 120
. Étiquetage Sémantique Automatique de modèles SIG . . . . . . . .
421 120
. . Formalisme topologique pour les SIG . . . . . . . . . . . . . .
422 122
. . Identification des composants SIG . . . . . . . . . . . . . . . .
5 expérimentations et applications 129
51 131
. Prétraitements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.1 Fusion des 0-cellules Proches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.1.2 Suppression des 2-cellules dégénérées . . . . . . . . . . . . . . 132
513 134
. . Suppression des Clones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.4 Fusion des 2-cellules coplanaires . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
52 136
. Reconstruction Topologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1 Résultats de la Reconstruction des Liens β . . . . . . . . . . . 137
2
5.2.2 Résultats de la Reconstruction des Liens β . . . . . . . . . . . 139
3
523 142
. . Problèmes sur les données BIM . . . . . . . . . . . . . . . . . .
524 146
. . Problèmes sur les données SIG . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.5 Impact du Choix des Marges d’Erreur (cid:3) . . . . . . . . . . . . . 148
53 150
. Étiquetage Sémantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54 155
. Extraction d’Information pour de la Simulation Acoustique . . . .
541 156
. . Modèle des Plaques Minces (MPM) pour l’Acoustique . . . .
542 156
. . Informations Requises pour AcouBAT . . . . . . . . . . . . . .
543 157
. . De l’EBM-LCC au MPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Table des matières ix
55 161
. Extraction d’Information pour du Lancer de Rayons . . . . . . . .
551
. . Partition Contrainte Convexe de l’Espace (CCSP) pour le lan-
162
cer de rayons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
552 163
. . Informations requises pour le lancer de rayons . . . . . . . . .
553 164
. . De l’EBM-LCC au CCSP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
554 165
. . Performances du lancer de rayons . . . . . . . . . . . . . . . .
56 167
. Extraction Automatique de Niveaux de Detail . . . . . . . . . . . .
5.6.1 Extraction de LoD3 à partir de modèles BIM . . . . . . . . . . 168
5.6.2 Extraction de LoD2 et LoD1 à partir de Modèles BIM . . . . . 169
6 conclusions et perspectives 173
bibliographie 177