Notions de base relatives aux surfaces
Un modèle de surface 3D est une représentation numérique d'entités, réelles ou hypothétiques, dans l'espace tridimensionnel. Voici quelques exemples simples de surfaces 3D : paysage, couloir urbain, gisements de gaz souterrain et réseau de profondeurs de sources pour déterminer la profondeur de la nappe phréatique. Tous ces exemples représentent des entités réelles, mais les surfaces pourraient être dérivées ou imaginaires. Comme exemple de surface dérivée, citons les niveaux de contamination d'une bactérie particulière dans chaque source. Ces contaminants peuvent aussi être représentés en tant que surface 3D. Parmi les exemples imaginaires de surfaces 3D, on trouve souvent les types rencontrés dans les jeux vidéo ou les environnements de simulation sur ordinateur.
Une surface 3D est généralement dérivée ou calculée à l'aide d'algorithmes conçus spécialement pour échantillonner des données de point, de ligne ou de polygone et les convertir en surface 3D numérique. ArcGIS peut créer et stocker trois types de modèles de surface : raster, TIN et jeu de données de MNT.
Vous trouverez ci-dessous des exemples de surfaces de MNT, raster et réseau triangulé irrégulier (TIN), côte à côte.
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Ces trois types de modèles de surface peuvent être créés à partir de diverses sources de données. Les deux principales méthodes de création de modèles de surface sont l'interpolation et la triangulation. Il existe plusieurs méthodes d'interpolation, dont Pondération par l'inverse de la distance, Spline, Krigeage et Voisin naturel. Vous pouvez créer des surfaces triangulées en créant un TIN ou en ajoutant des éléments à un TIN existant. Vous pouvez également effectuer une conversion entre des modèles de surface de jeu de données de MNT, TIN et raster.
Les surfaces raster, TIN et MNT sont toutes des types de surface fonctionnelle. Une surface fonctionnelle est un champ continu de valeurs qui peuvent varier sur un nombre de points infini. Par exemple, les points situés dans une zone sur la surface terrestre peuvent varier selon l'altitude, la distance par rapport à l'entité ou la concentration d'un produit chimique particulier. Ces valeurs peuvent être représentées sur l'axe des z dans un système de coordonnées x,y,z à trois dimensions et sont souvent appelées valeurs z.
Les modèles de surface vous permettent de mémoriser les informations surfaciques dans un SIG. Etant donné qu'une surface contient un nombre infini de points, il est impossible de mesurer et d'enregistrer la valeur z de tous les points. Un modèle de surface se rapproche d'une surface en prenant un échantillon de valeurs à différents points de la surface et en interpolant les valeurs situées entre ces points.
L'illustration ci-dessous indique un modèle de surface de concentration chimique sur toute la zone. Les points indiquent l'emplacement où la concentration a été échantillonnée.
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Surfaces raster
Les données SIG peuvent généralement être classées en deux types principaux : données raster et données vectorielles. Les données vectorielles sont définies par des arcs, nœuds, lignes et leurs relations associées qui comprennent des données géospatiales. Les entités réelles et les surfaces peuvent être représentées comme données vectorielles stockées dans un SIG. Les données raster correspondent à une matrice rectangulaire de cellules, représentées en lignes et en colonnes. Chaque cellule représente une surface carrée définie à la surface de la terre et contient une valeur qui est statique dans la cellule entière. Une surface peut être représentée comme données raster, où chaque cellule dans les données représente une valeur d'information réelle. Il peut s'agir de données d'altitude, de concentrations de contamination, de niveaux de nappes phréatiques, etc.
Pour en savoir plus sur les données raster
Les données raster peuvent être à leur tour subdivisées en catégories, telles que données thématiques, images ou données continues. Les surfaces représentées comme données raster constituent une forme de données continues. Les données continues sont également appelées données de terrain, données de surface ou donnée non discrètes. Une surface continue représente des phénomènes dans lesquels chaque emplacement de la surface est une mesure du niveau de concentration ou sa relation à partir d'un point fixe dans l'espace ou à partir d'une source émettrice.
Les modèles d'altitude constituent un exemple de ces modèles de surface raster. Le point fixe peut être une hauteur dérivée de méthodes photogrammétriques, mais l'interpolation entre hauteurs aide à former le modèle numérique de terrain (MNT). Etant donné que les surfaces raster sont généralement stockées sous forme de grille avec des cellules espacées uniformément, plus les cellules sont petites, plus la précision locale de la grille est importante. L'exemple ci-dessous compare une grille de haute précision (à gauche) à une grille de moindre précision (à droite).
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La précision géographique d'entités individuelles, par exemple le sommet d'une montagne, est liée directement à la taille des cellules de la grille. Dans l'exemple précité, des données de surface d'altitude très grossières sont représentées en tant que modèle de surface dans un affichage bidimensionnel planaire. Les surfaces raster peuvent être générées et modélisées avec d'autres sources d'image pour les vues en perspective 3D, telles que ce MNA haute résolution avec ombrage (ci-dessous).
Une surface raster est un champ continu de valeurs qui peuvent varier sur un nombre de points infini. Par exemple, les points situés dans une zone peuvent varier selon l'altitude, la distance par rapport à une entité ou la concentration d'un produit chimique particulier. Chacune de ces valeurs peut être représentée sur l'axe des z dans un système de coordonnées tridimensionnel x,y,z afin de produire une surface 3D continue.
Les données de surface raster représentent une surface en tant que grille de cellules de taille égale contenant les valeurs attributaires pour représenter la valeur z et les coordonnées de localisation x.y.
Lorsque vous utiliserez ArcGIS 3D Analyst pour le traitement, vous devrez probablement recourir à des jeux de données raster ou en créer. Il est important de comprendre comment un jeu de données raster est représenté dans 3D Analyst lors de l'utilisation de rasters.
surfaces TIN
Les réseaux triangulés irréguliers (TIN) sont utilisés par la communauté SIG depuis de nombreuses années et permettent de représenter numériquement la morphologie de surface. Les TIN constituent une forme de données géographiques numériques vectorielles et sont construits en triangulant un ensemble de sommets (points). Les sommets sont reliés à une série de segments pour former un réseau de triangles. Il existe différentes méthodes d'interpolation pour former ces triangles, telles que la triangulation de Delaunay ou le classement des distances. ArcGIS prend en charge la méthode de triangulation de Delaunay.
La triangulation produite est conforme au triangle de Delaunay qui garantit qu'aucun sommet ne se trouve à l'intérieur des cercles dans lesquels les triangles du réseau sont circonscrits. Si le critère de Delaunay est satisfait partout sur le TIN, l'angle intérieur minimal de tous les triangles est augmenté au maximum. Cela permet d'éviter autant que possible les triangles longs et étroits.
Les segments des TIN forment des facettes triangulaires contiguës sans superposition et peuvent être utilisées pour capturer la position des entités linéaires qui jouent un rôle important dans une surface, telles que les crêtes ou les cours de ruisseaux. Le graphique ci-dessous illustre les nœuds et segments d'un TIN (à gauche) et les nœuds, segments et faces d'un TIN (à droite).
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Etant donné que les nœuds peuvent être placés de manière irrégulière sur une surface, les TIN peuvent avoir une résolution plus élevée dans les zones où une surface est très variable ou aux endroits plus détaillés, et une résolution inférieure dans les zones qui sont moins variables.
Les entités en entrée utilisées pour créer un TIN restent dans la même position que les nœuds ou segments dans le TIN. De cette façon, un TIN peut conserver la précision des données en entrée tout en modélisant simultanément les valeurs entre les points connus. Vous pouvez localiser précisément des entités sur la surface, telles que des sommets de montagnes, des routes et des ruisseaux, en les utilisant comme entités en entrée dans les nœuds du TIN.
Les modèles de TIN ne sont pas aussi largement répandus que les modèles de surface raster et ont tendance à être plus longs à créer et traiter. Le coût d'obtention de données de source fiable peut être élevé et le traitement des TIN a tendance à être moins efficace que le traitement des données raster en raison de la complexité de la structure des données.
Les TIN sont généralement utilisés dans la modélisation à haute précision de zones plus restreintes, comme c'est le cas avec les applications d'ingénierie, où ils sont utiles au calcul de surfaces planimétriques, de superficies de surface et de volumes.
Surfaces de MNT
Avec la mise en œuvre des jeux de données de MNT dans ArcGIS 9.2, la représentation de données d'altitude comme surfaces n'a jamais été aussi simple dans ArcGIS. Les données d'altitude détectées à distance, telles que les mesures de point lidar et sonar, se comptent en centaines de milliers, voire en centaines de millions. Gérer et modéliser ce type de données s'avère difficile pour la plupart des matériels et logiciels disponibles actuellement sur le marché. Le jeu de données de MNT permet la génération d'une série de règles et conditions pour l'indexation de données source dans un ensemble organisé de pyramides de TIN créé à la volée.
Les jeux de données de MNT constituent une méthode efficace pour gérer des données de points volumineuses dans une géodatabase et produire rapidement des surfaces exactes de haute qualité. Les mesures d'altitude, lidar et sonar peuvent se compter en plusieurs centaines de milliers, voire plusieurs milliards de points. Organiser, cataloguer et générer des produits 3D à partir de ces types de données s'avère difficile, dans le meilleur des cas, voire impossible. Les jeux de données de MNT vous permettent de surmonter ces obstacles de gestion des données, de mettre à jour vos données sources et de produire des TIN de haute précision à différentes résolutions.
Rendre des TIN particulièrement volumineux s'avère généralement difficile, en partie en raison des limitations imposées par le matériel tel que les cartes vidéo. Cependant, les MNT présentent un grand avantage du fait que vous rendez les surfaces que vous devez afficher à une résolution optimisée. Par conséquent, si vous avez une zone à petite échelle dans ArcGlobe ou ArcMap, le MNT utilise moins de nœuds pour générer le TIN rendu à l'écran. En revanche, si vous effectuez un zoom sur une zone à grande échelle, une résolution maximale (utilisation de tous les nœuds pour cette zone) sera utilisée pour générer rapidement un TIN. L'avantage évident réside dans le fait que seule une petite partie de la zone d'étude est affichée avec un grand nombre de nœuds, ou qu'une collection de nœuds à résolution réduite est utilisée pour générer à la volée un TIN de résolution inférieure.
Un exemple correspondant est présenté dans le graphique suivant :
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Les MNT figurent à l'intérieur de jeux de données d'entité dans des géodatabases personnelles, fichiers ou ArcSDE. Les autres classes d'entités dans le jeu de données d'entité peuvent participer au MNT ou être effectivement incluses dans le MNT, ce qui signifie que les données sources peuvent être déplacées en mode déconnecté après la création du jeu de données de MNT. Le graphique suivant illustre la manière dont les différents types de classes d'entités peuvent participer à la génération de pyramides de TIN :
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Exemple de différentes sources de données participant à des pyramides TIN à résolution variable (jeu de données de MNT) |
Les jeux de données de MNT sont uniques du fait qu'ils peuvent incorporer ou référencer les données source. Grâce à l'indexation de chaque mesure de point, un ensemble de pyramides de TIN est généré, chacun avec successivement moins de nœuds impliqués (points source). Cela permet à ArcMap et ArcGlobe de générer rapidement un TIN quelle que soit la résolution nécessaire pour l'échelle de la visionneuse. Les affichages de données à faible échelle exigent moins de points, ce qui se traduit par un rendu du TIN à une résolution inférieure. A mesure que la valeur du zoom avant s'accroît, une plus petite surface du jeu de données est nécessaire mais à plus haute résolution. La densité de points augmente, mais les performances ne sont pas entravées car une surface haute résolution est rendue uniquement pour la zone affichée.
Les jeux de données de MNT sont pris en charge pour la lecture et la visualisation à tous les niveaux de licence : ArcView, ArcEditor et ArcInfo. Les MNT peuvent être créés avec ArcEditor et ArcInfo avec l'extension ArcGIS 3D Analyst. ArcScene ne prend pas en charge les jeux de données de MNT.
Pour en savoir plus sur les MNT, reportez-vous aux pages suivantes dans l'aide consacrée au jeu de données de MNT :