Modélisation du patrimoine et milieu urbain

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Coordinateur scientifique : Pierre Grussenmeyer

Reconstruction du château d'Andlau

Numérisation du patrimoine

La mesure optique et les problématiques patrimoniales sont venues compléter les activités de l’équipe avec l’arrivée de l’équipe de l’INSA. Les travaux portent sur l’élaboration d’outils de mesure, de compréhension, de représentation et de gestion du patrimoine archéologique et architectural à partir des techniques de la géomatique (photogrammétrie, lasergrammétrie, et systèmes d’information géographique). Le thème « numérisation du patrimoine» se décline en trois types d’interventions:

  • mesures optiques (cf. thème 1) et modèles (archéologiques et architecturaux), où l’acquisition de données spatiales s’appuie sur un modèle à renseigner ;
  • la restitution et la modélisation des objets topographiques et patrimoniaux, où se pose la question des méthodes et outils de représentation
  • la gestion des données spatiales où interviennent l’évolutivité du modèle et la gestion des données patrimoniales aux différentes échelles.

Acquisition des données spatiales

Les activités sont fortement dirigées par la pratique du projet dans le contexte de la donnée spatiale géoréférencée (cf. thème 1). Cette pratique du projet couvre l’étude des systèmes, de leurs principes, leurs performances, de leurs précisions et limites. L’expertise qui en résulte est fondamentale pour prescrire, dans le cadre d’un projet de numérisation du patrimoine, les systèmes adéquats voire des combinaisons originales de systèmes, les modes opératoires, bonnes pratiques pour aboutir aux meilleurs données et produits possibles. Une méthode originale de débruitage des données issues des scanners laser terrestres basée sur le traitement de l’image télémétrique a été développée. Les spécificités des communautés qui utilisent ces données (archéologues, architectes, historiens) et des usages qui en résultent réclament une bonne connaissance et compréhension de ses partenaires et de ses pratiques, avec lesquels la collaboration est étroite (par ex. ANR OrAG, SEEG Grotte des Fraux).

Modélisation

Dans la modélisation d’ouvrages architecturaux, le modèle des façades des bâtiments est un produit incontournable. Pour aboutir à ce type de livrable, des études ont été menées, portant exclusivement sur des données acquises par scanners laser terrestres statiques ou mobiles. A l’issue du géoréférencement des données acquises, la chaîne de traitements est composée d’une étape de segmentation suivie d’une étape de reconstruction 3D. Les façades étant composées majoritairement de surfaces planes, une segmentation automatique procède à la décomposition du nuage de points en un ensemble de segments plans. L’algorithme de reconstruction de façade développé permet ensuite d’extraire automatiquement les contours, par analyse des caractéristiques géométriques et des relations topologiques liant ces arêtes. Enfin, un modèle filaire de la façade toute entière peut être généré. Pour garantir la qualité des modèles créés, une étape d’évaluation est indispensable. Elle consiste à évaluer les performances des algorithmes composant l’ensemble de la chaine de traitements. Ceux-ci ont été appliqués successivement sur des façades possédant des caractéristiques topographiques et architecturales différentes.

Gestion des données spatiales 3D

Le thème de la gestion des données spatiales 3D, en aval de l’acquisition et de la modélisation, est lié à la conceptualisation de systèmes d’information géographique (SIG). Nous nous intéressons ainsi au développement d’outils de documentation, de compréhension, de gestion et de représentation de données spatiales 3D, dans l’environnement internet (web-SIG). La diffusion de données structurées dans des bases de données spatiales permet de sélectionner les objets 3D à l’aide de critères spatiaux ou sémantiques, puis de les transférer à travers le web. Les solutions dédiées à la documentation sur internet de sites patrimoniaux permettent de conserver, gérer et représenter des documents traditionnels issus de relevés bi- et tri-dimensionnels mais aussi des travaux de restitution et d’imagerie. L’utilisateur dispose ainsi d’outils permettant d’accéder à l’information et de constituer son propre modèle, d’interagir avec lui, de le représenter en fonction de critères propres. Ce sont des modèles de bâtiments à différents niveaux de détails qui sont visés dans la gestion tridimensionnelle de modèles patrimoniaux et urbains dans un prototype de SIG 3D sur Internet.


Climatologie urbaine et milieu urbain

De par sa nature minérale, sa géométrie et sa densité de population, la ville modifie significativement le climat local. On observe ainsi des écarts allant jusqu'à 5°C entre le centre ville et la campagne environnante, notamment la nuit.

Une bonne compréhension des effets de la ville sur l'ambiance climatique et la qualité de l'air est un enjeu non seulement en terme de confort, mais aussi de santé publique. L'équipe TRIO mêne depuis 1998 une série d'études, avec un focus particulier sur le rôle de la végétation en ville. Une collaboration étroite avec les éco-physiologistes de l'INRA de Clermont-Ferrand, de l'ASPA et des services des espaces verts de la Communauté Urbaine et de l'Université permet une approche pluri-disciplinaire et transversalle du comportement et des bénéfices de la végétation en ville.

L'îlot de verdure du jardin botanique, quartier de l'Esplanade, Strasbourg © ICube 2013

La campagne d'observation en bio-Climatologie 2012-2015 du laboratoire ICube

La campagne d'observation en bio-Climatologie, initiée en 2012, vise à fournir un ensemble complet de mesures en restitution 3D, météorologie et en bio-climatologie de l'espace urbain. Elle comprend les volets :

  • Instrumentation : suivi opérationnel en continu d'un réseau pérenne sur Strasbourg et sa région, conception et déploiement de capteurs et de systèmes d'acquisition
  • Base de données : maintien de bases données du réseau pérenne, ainsi que de bases de données associées (données géographiques et architecturales spatiales 2D/3D, imagerie)
  • Modélisation : météorologique (Meso-NH, LASER/F, SURFEX), et architecturale (photogrammétrie, laser-grammétrie)


Instrumentation

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Dispositif motorisé de suivi du soleil. Une synchronisation très précise de l'horloge via GPS permet au système motorisé de pointer un capteur dans l'axe du soleil. La mesure qui en découle permet de quantifier l'énergie solaire.
©ICube2013
Profileur atmosphérique. Ce dispositif, mis en place en zone urbaine dense, mesure la température de l'air entre 0 et 600 mètres au-dessus du sol toutes les 5 minutes.
©ICube2013
Station météorologique urbaine. Localisée au cœur de l'agglomération Strasbourgeoise, cette station est très représentative de milieux denses, très minéraux, généralement soumis aux températures les plus élevées.
©ICube2013
Station en jardin de ville. Représentative d'une ambiance péri-urbaine, ce type de station disposé en périphérie de Strasbourg donne une indication de la température et de l'humidité en milieu mixte.
©ICube2013
Station météorologique rurale. Situé hors agglomération, dans un espace largement agricole, ce type de station est représentative des "zones froides" à partir desquelles on mesure l'écart ville-campagne.
©ICube2013
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Mesures de profiles de PAR, de température, de croissance, de température foliaire sur un tilleul argenté, jardin historique de l'Université de Strasbourg.
©ICube2013
Mesures de l'évaporation par chambre à transpiration, jardin historique de l'Université de Strasbourg.
©ICube2013
Mât télescopique de 20m équipé mesurant les flux de chaleur sensible, chaleur latente et de CO2 ainsi que le bilan radiatif, jardin historique de l'Université de Strasbourg.
©ICube2013
Le laboratoire ICube collabore avec le Groupe d'Intervention en Milieux Périlleux (GRIMP) du Service Départemental de Secours et d'Incendie 67 pour l'installation de capteurs à très grande hauteur.
©ICube2013
Vue d'un capteur PépiPIAF mesurant la croissance des branches charpentières, école primaire Louis Pasteur.
©ICube2013

Les instruments mobilisés pour cette campagne comprennent les dispositifs suivants :

Mesures météorologiques classiques

  • Sondes de température, d'humidité, de pression
  • Des anémomètres "poisson" et à coupole

Mesures de bilan radiatifs

  • Plusieurs jeux de pyranomètres et pyrgéomètres de classe I
  • Un pyrhéliomètre monté sur un suntracker

Mesures de bilan d'énergie

  • Des anémomètres soniques Metek USA1 et Kipp & Zonen CSAT3
  • Des sondes humidité haute fréquence LICOR 7500 et Krypton KH-20
  • Deux scintillomètres
  • Des dispositifs de mesure de flux dans le sol

Mesures éco-physiologiques

  • Mesure par flux de sève sur 6 tilleuls argentés
  • Mesure de croissance des branches charpentières par LVDT sur 6 arbres et par PepiPIAF sur 8 arbres répartis sur 3 sites
  • Mesure de résistance stomatique
  • Mesure d'indice foliaire
  • Géométrie 3D de l'arbre par LIDAR terrestre

Cette instrumentation est pour l'essentiel déployée sur l'agglomération de Strasbourg, et lors de campagnes nationales et internationales, suivant la demande. L'équipe maintien en particulier un site de référence de bilan radiatif le plus complet de la région.

Voir la carte du réseau en place

Base de données

Le volet Base de données comprend :

  • une base de données SIG de la volumétrie 3D de l'agglomération, avec différents niveaux de détails pour certains sites expérimentaux
  • un portail d'accès aux données MOSAIC regroupant l'ensemble des mesures opérationnelles et de campagnes intensives

Modélisation

Le volet Modélisation concerne le déploiement et l'utilisation de :

  • Meso-NH : modèle atmosphérique meso-échelle non-hydrostatique, développé par le CNRM (Météo-France)
  • SURFEX : schéma de paramétrisation de surface utilisable off-line, développé par le CNRM (Météo-France)
  • LASER/F : modèle de bilan radiatif et de bilan d'énergie développé par Pierre KASTENDEUCH au laboratoire ICube


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