Murat YIRCI Arrangements 2D pour la Cartographie de l'Espace Public et des Transports

208 Pages·2016·23.26 MB·French

École Doctorale MSTIC
Sciences et Technologies de l’Information Géographique
Murat YIRCI
Arrangements 2D pour
la Cartographie de l’Espace Public
et des Transports
Présentée pour obtenir le grade de docteur
de Université PARIS-EST
Avril, 2016
Jury de Thèse
Hégron GÉRARD Président
Monika SESTER Rapporteurs
Guillaume DAMIAND
Raouf BEN JEMAA Examinateur
Nicolas PAPARODITIS Directeur
Mathieu BRÉDIF Encadrant
This thesis has been conducted at the MATIS (Méthodes d’Analyses pour le Traitement
d’Images et la Stéréorestitution) Laboratory of the Research Department of IGN (Institut
National de l’Information Géographique et Forestière).
Cettethèses’estdérouléeaulaboratoireMATIS(Méthodesd’AnalysespourleTraitement
d’Images et la Stéréorestitution) du Service de la Recherche de l’Institut National de
l’Information Géographique et Forestière (IGN).
Laboratoire MATIS
Service de la Recherche
Institut National de l’Information Géographique et Forestière
73 avenue de Paris
94165 Saint-Mandé cedex FRANCE
Téléphone : 01 43 98 80 00
ii
Abstract
2D Arrangements for Public Space Mapping and Trans-
portation
Thisthesisaddresseseasyandeffectivedevelopmentofmappingandtransportationappli-
cations which especially focuses on the generation of pedestrian networks for applications
like navigation, itinerary calculation, accessibility analysis and urban planning. In order
to achieve this goal, we proposed a two layered data model which encodes the public
space into a hierarchy of semantic geospatial objects. At the lower level, the 2D geometry
of the geospatial objects are captured using a planar partition which is represented as
a topological 2D arrangement. This representation of a planar partition allows efficient
and effective geometry processing and easy maintenance and validation throughout the
editions when the geometry or topology of an object is modified. At the upper layer,
the semantic and thematic aspects of geospatial objects are modelled and managed. The
hierarchy between these objects is maintained using a directed acyclic graph (DAG) in
which the leaf nodes correspond to the geometric primitives of the 2D arrangement and
the higher level nodes represent the aggregated semantic geospatial objects at different
levels. WeintegratedtheproposeddatamodelintoourGISframeworkcalledStreetMaker
together with a set of generic algorithms and basic GIS capabilities. This framework is
then rich enough to generate pedestrian network graphs automatically. In fact, within
an accessibility analysis project, the full proposed pipeline was successfully used on two
sites to produce pedestrian network graphs from various types of input data: existing GIS
vector maps, semi-automatically created vector data and vector objects extracted from
Mobile Mapping lidar point clouds.
While modelling 2D ground surfaces may be sufficient for 2D GIS applications, 3D GIS
applications require 3D models of the environment. 3D modelling is a very broad topic
but as a first step to such 3D models, we focused on the semi-automatic modelling of
geospatial objects (such as poles, lampposts, tree trunks, etc.) which can be modelled or
approximated by generalized cylinders from single images. The developed methods and
techniques are presented and discussed.
Keywords : 2D Arrangements, Alpha shapes, Centreline generation, Computational
geometry, Delaunay triangulations, Directed Acyclic Graphs (DAG), Geographic Informa-
tion Systems (GIS), Medial axis, Hierarchical GIS modelling, Pedestrian network graphs,
Planar partition, Robust exact geometric computation, Straight skeleton, StreetMaker, 3D
generalized cylinder modelling
iii
iv
Résumé
Arrangements 2D pour la Cartographie de l’Espace
Public et des Transports
Cette thèse porte sur le développement facilité d’applications de cartographie et de trans-
port, plus particulièrement sur la génération de réseaux piétonniers pour des applications
telles que la navigation, le calcul d’itinéraires, l’analyse d’accessibilité et l’urbanisme. Afin
d’atteindre ce but, nous proposons un modèle de données à deux couches qui cartogra-
phie l’espace public dans une hiérarchie d’objets géospatiaux sémantisés. A bas niveau, la
géométrie 2D des objets géospatiaux est représentée par une partition planaire, modélisée
par une structure topologique d’arrangement 2D. Cette représentation permet des trai-
tements géométriques efficaces et efficients, ainsi qu’une maintenance et une validation
aisée au fur et à mesure des éditions lorsque la géométrie ou la topologie d’un objet sont
modifiées. A haut niveau, les aspects sémantiques et thématiques des objets géospatiaux
sont modélisés et gérés. La hiérarchie entre ces objets est maintenue à travers un graphe
dirigé acyclique dans lequel les feuilles correspondent à des primitives géométriques de
l’arrangement 2D et les noeuds de plus haut niveau représentent les objets géospatiaux
sémantiques plus ou moins aggrégés. Nous avons intégré le modèle de données proposé
dans un framework SIG nommé StreetMaker en complément d’un ensemble d’algorithmes
génériques et de capacités SIG basiques. Ce framework est alors assez riche pour générer
automatiquement des graphes de réseau piétonnier. En effet, dans le cadre d’un projet
d’analyse d’accessibilité, le flux de traitement proposé a permis de produire avec succès
sur deux sites un graphe de réseau piétonnier à partir de données en entrées variées : des
cartes vectorielles existantes, des données vectorielles créées semi-automatiquement et des
objets vectoriels extraits d’un nuage de points lidar issu d’une acquisition de cartographie
mobile.
Alors que la modélisation 2D de la surface du sol est suffisante pour les applications
SIG 2D, les applications SIG 3D nécessitent des modèles 3D de l’environnement. La
modélisation 3D est un sujet très large mais, dans un premier pas vers cette modélisation
3D, nous nous sommes concentrés sur la modélisation semi-automatique d’objets de type
cylindre généralisé (tels que les poteaux, les lampadaires, les troncs d’arbre, etc) à partir
d’une seule image. Les méthodes et techniques développées sont présentées et discutées.
Mots Clés : Arrangements 2D, Génération de la ligne centrale, Géométrie algorith-
mique, Triangulation de Delaunay, Graphes dirigés acycliques, Systèmes d’information
géographique (SIG), Sciences de l’Information Géographique, axe médian, Modélisation
hiérarchique SIG, Graphe de navigation piétionne, partition planaire, calcul géométrique
exact et robuste, Squelette droit, StreetMaker, Modélisation de cylindres 3D généralisés
v
vi
“To love and be loved is to feel the sun from both sides.”
David Viscott
to my wife & my parents
vii
viii
Acknowledgements
This thesis has been conducted in IGN at MATIS Laboratory with the collaboration of
Université PARIS-EST, École Doctorale MSTIC. Thanks to many other people that I
have not met in person to express my thanks for making this PhD thesis possible.
I would like to thank my supervisors Nicolas Pararoditis and Mathieu Brédif. Nicolas has
been a great director with his continuous support, patience and immense knowledge in his
guidance. Mathieu has always been close to me. I have met only a very few people being
so nice and smart at the same time. He has been a great mentor in doing my research,
sharing his extremely valuable ideas and backing me up.
A perfect place would not be perfect without the perfect people filling the perfect place.
That’s how I would like to describe the environment in MATIS with full of kind, warm
and bright people. As a foreigner, I never felt alone. There has always been a lot of
friendly people around. Thanks to Adrien, Alexandre D., Alexandre H., Antonio, Ar-
naud, Athanasios, Bahman, Bertrand, Bénédicte, Bruno, Clément, David C., David V.,
Emmanuel, Fabien, Fabrice, Isabelle, Jean Pascal, Jean Pierre, Jérôme, Julien, Kamel,
Lâmân, Laurent C., Laurent S., Lijun, Lionel, Loïc, Marie Calude, Martin, Mathieu
Bernard, Miloud, Narut, Neelanjan, Nicolas D., Quoc, Rémi, Sébastien, Sidonie, Tristan,
Valérie, Xiao, Xiaozhi and Yuchu. It is a pleasure to have met you.
Dear Mom and Dad, I cannot thank you enough for all the support and love you have
given me throughout my life. I wouldn’t be the person I am today if it wasn’t for your
constant confidence in me. My sisters Filiz, Tülay and Şerife, thank you for being very
nice to me and thank you for giving birth to my loveliest nieces Özgü, Ela and Yasemin
and nephews Ozan and Taner. I always feel much better when I think of you. And, my
brothers in law Sancar and Ibrahim, my parents in law Serap and Halit, and my sisters
in law Didem and Gizem, thank you all for being part of such a gorgeous family.
Finally, to my caring, loving, and supportive wife, Çiğdem. I would like to express my
deepest gratitude to you for always being beside me and ready to encourage me when the
times get rough.
ix