Segmentation and 3D modeling of urban environment from point clouds
Contribution à la segmentation et à la modélisation 3D du milieu urbain à partir de nuages de points
Résumé
3D modeling responds to both an economic and an environmental issue, whether at the building or at city scale. Over the past ten years, acquisition techniques have evolved considerably in terms of their speed, the amount of data to be managed, the heterogeneity of information acquired by multi-sensor systems, as well as in terms of processing methods. In this context, new processes such as the “scan-to-BIM” process have emerged. It characterizes the steps leading from point cloud to an intelligent digital model called BIM (Building Information Modeling). By adopting the digital model, building stakeholders are able to perform simulations and reduce, in addition to costs, the environmental impact related to interventions on the building, throughout its life cycle. In practice, to achieve an intelligent digital building model from a survey, many technological obstacles need to be overcome. In this context, I had the chance to supervise various research works on the topics of 3D data acquisition, from the processing of this data to the production of the 3D digital model.
Through doctoral research studies that I had the opportunity to co-supervise, I participated in the construction of processing chains on point clouds acquired by airborne LiDAR, terrestrial LiDAR and other 3D sensors. This work has led to the development of innovative acquisition systems (PhD Mittet, 2015), registration algorithms (PhD Hullo, 2013 and PhD Lachat, 2019), segmentation and modeling of point clouds for the reconstruction of buildings (PhD Tarsha-Kurdi, 2008), of facades (PhD Boulaassal, 2010) and of indoor scenes (PhD Macher, 2017). The issue of assessing the quality of models was addressed in every thesis, particularly at the scale of buildings (Mohamed thesis, 2013).
Based on the experience acquired through all of this work, we focused also on environmental issues, with the ambition to reconstruct urban trees in 3D. This daring challenge was met, thanks to the collaboration of specialists in urban climatology from the ICube-TRIO team. Finally, a new topic of research has been created within our team: the contribution of laserscanning to urban climate modeling. Urban climate simulation models need truthful 3D models of trees in order to assess the impact of vegetation on the creation of urban microclimates. A first work has shown that the challenge can be faced at the tree level and a park level (PhD Bournez, 2018). The study is currently continuing at city and regional levels (PhD Philipps).
In the first part of this work, we will recall the major advances in each step of the established processing chain, before proposing research perspectives. In the "scan-to-BIM" process, the segmentation, up to now mainly geometric, deserves to be enriched with semantic information in order to result in a so-called "digital twin" of the building. The efforts that we will carry out in this direction will also benefit urban climatological models, which require knowledge of urban geometry. To control the errors affecting the models delivered by the processing chain remains a center of interest.
In view of our skills and the growing interest of our European countries for a green economy and for energy transition, the future offers good prospects for the development of our team's research topics.
La modélisation 3D répond à la fois à un enjeu économique mais aussi environnemental, que ce soit à l'échelle du bâtiment ou de la ville. Ces dix dernières années, les techniques d'acquisitions ont considérablement évolué du point de vue de leur rapidité, du volume de données à gérer, de l’hétérogénéité des informations acquises par les systèmes multi-capteurs, de même que les méthodes de traitement des données. De nouveaux processus sont nés de ces bouleversements, comme le processus « scan-to-BIM » caractérisant les étapes menant du nuage de points à une maquette numérique intelligente. En adoptant la maquette numérique, intégrée dans un processus collaboratif BIM (Building Information Modeling), les acteurs du bâtiment sont en mesure d’effectuer des simulations et de réduire, en plus des coûts, l’impact environnemental lié aux interventions sur le bâtiment, tout au long de son cycle de vie. En pratique, pour aboutir à une maquette numérique intelligente du bâtiment à partir d’un relevé de l’existant, de nombreux verrous technologiques sont à lever. Dans ce contexte, j'ai eu la chance d’encadrer divers travaux de recherches portant sur les thématiques de l’acquisition de données 3D (généralement sous formes de nuages de points 3D) à leur traitement, jusqu’à la production de la maquette numérique.
Au travers des thèses que j’ai eu l’occasion de suivre, j’ai participé à la création et la mise en œuvre de chaînes de traitements de nuages de points acquis par LiDAR aéroporté, LiDAR terrestre et autres capteurs 3D. Ces travaux ont permis d’aboutir au développement de systèmes d’acquisitions innovants (thèse Mittet, 2015), d’algorithmes de consolidations (thèses Hullo, 2013 et Lachat, 2019), de segmentation et de modélisations de nuages de points pour la reconstruction de bâtiments (thèse Tarsha-Kurdi, 2008), de façades (thèse Boulaassal, 2010) et d’intérieurs de bâtiments (thèse Macher, 2017). La question de l’évaluation de la qualité des modèles a été abordée dans chacune des thèses, en particulier à l’échelle du bâtiment entier (thèse Mohamed, 2013).
Souhaitant mettre au profit de problématiques environnementales l’expérience acquise au travers de l’ensemble de ces travaux de la phase de relevés à celle de la production de la maquette numérique, le regard longtemps focalisé sur le bâtiment s’est alors tourné vers d’autres objets urbains que sont les arbres en ville, avec l’ambition de les reconstruire en 3D. Ce défi audacieux a été relevé, grâce à l’impulsion de spécialistes en climatologie urbaine de l’équipe ICube-TRIO. Il finalement permis de créer un nouvel axe de recherche au sein de notre équipe : l’apport de la lasergrammétrie à la modélisation du climat urbain. En répondant au besoin, pour les modèles de simulation du climat urbain, de disposer de reconstructions 3D fidèles des arbres, nous avons, par la même occasion, été initiés à l’impact des arbres sur la création de microclimats urbains. Débutée à l’échelle de l’arbre et d’un parc (thèse Bournez, 2018), l’étude se poursuit actuellement à l’échelle de la ville et de la région (thèse Philipps, en cours).
Nous rappellerons, dans la première partie de ce mémoire, les avancées majeures dans chaque étape de la chaîne de traitements mise en place, avant de proposer des perspectives de recherche. Dans le processus du « scan-to-BIM », la segmentation essentiellement géométrique méritera d’être enrichie d’information sémantique pour aboutir à une maquette numérique de bâtiment intelligente, appelée également « jumeau numérique ». Les efforts que nous mènerons en ce sens seront également profitables aux modèles climatiques urbains, ces derniers exigeant notamment la connaissance de la géométrie urbaine. Le tout sera accompagné d’un souci permanent de maîtriser les erreurs affectant la chaîne de traitement et par voie de conséquence les modèles qui en découlent.
Au vu de la sensibilité grandissante de nos pays européens à une économie verte, qui se traduit notamment par l’accompagnement de la transition énergétique, l’avenir laisse entrevoir de belles perspectives d’évolution aux thématiques de recherche de notre équipe.
Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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