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SIG 3D - Visualisation et diffusion des données 3D (5/5)

Je termine aujourd'hui cette série d'articles consacrés à l'utilisation de la 3D dans un SIG. Ce 5ème et dernier article sera consacré aux outils de visualisation 3D et aux capacités de diffusion des données de votre SIG 3D. Comme pour les articles précédents, l'objectif est à la fois de lister les fonctionnalités attendues d'un SIG 3D sur ces thèmes et d'illustrer comment celles-ci sont implémentées dans ArcGIS.


Un SIG complet est composé de multiples applications adressant les environnements bureautiques, web (navigateur) et mobiles (les apps natives). La donnée 3D doit être accessible sur ces différents environnements sans que l'utilisateur n'ai à réaliser de changement de format ou à redéfinir les propriétés de rendu des différentes couches constituant son contexte 3D. Aujourd'hui, aucun SIG ne propose une chaîne complète et directe allant des outils de préparation d'une scène 3D jusqu'à son exploitation "anywhere, anytime, on any device". Seule la plateforme ArcGIS est en passe d'offrir cette capacité dans les prochains mois avec les versions 10.3.1 et 10.3.2. Avant de détailler ces options de diffusions, commençons par présenter les différentes applications permettant la visualisation


Les outils de visualisation 3D bureautique

ArcGIS propose différentes applications bureautiques pour visualiser des données 3D. Selon les plateformes, ces applications proposent en plus les outils de conception, de mise à jour ou d'analyse évoqués dans mes précédents articles.

Sur les postes bureautiques, plusieurs applications ArcGIS sont disponibles. Certaines sont présentes depuis de nombreuses années, d'autres sont plus récentes. Elles ont toutes en communs de pouvoir préparer le rendu 3D de plusieurs couches et de constituer une scène 3D sur un territoire qui peut être très local (un bâtiment) ou très global (une ville, une région, un pays, ....). Chaque application a des spécificités que je résume ci-dessous.

ArcGlobe et ArcScene:


Ces deux applications fonctionnant sous Windows sont fournies avec l'extension 3D Analyst et permettent notamment l'affichage et la navigation dans vos données SIG 3D.

ArcGlobe, comme son nom l'indique, est plutôt destinée à l'affichage de scènes 3D globales (sur un Globe). L'application utilise une projection adaptée à des données sphériques. Capable d'afficher des volumes de données très important, cette application dispose d'un système de cache très performant basé sur la rasterisation des entités des couches vectorielles qui permet l'affichage avec une qualité adaptée à l'échelle et permet ainsi une navigation et un affichage très rapides. ArcGlobe propose des fonctions avancées de navigation (multi-fenêtrage, survole, ...) et de production de vidéos.

L'application ArcGlobe

ArcScene est une application plutôt adaptée à l'affichage de scènes plus locales contenant des données vectorielles et raster 3D. ArcScene permet l'utilisation de système de coordonnées planaire de son choix pour s'adapter au mieux au contexte local. Basé sur OpenGL, ArcScene prend notamment en charge la cartographie des entités multipatch texturées et les symbologies complexes sur les entités 3D linéaires. A la différence d'ArcGlobe, ArcScene charge l'ensemble des données en mémoire et n'utilise par de cache ce qui permet, entre autres, un rendu vectoriel des couches d'entités (points, lignes, polygones, multipatch).

L'application ArcScene
 
ArcGIS Pro

ArcGIS Pro est une nouvelle application d'ArcGIS Desktop qui combine le meilleur d'ArcGlobe et ArcScene notamment pour l'affichage et la diffusion de données 3D. Il permet en particulier de passer, à la volée d'une approche globale (Globe dans un système de coordonnées sphérique) à une approche locale (Scène dans un système de coordonnées planaire) en un clic. combinant des visualiseurs 2D et 3D au sein d'une seule et même application, ArcGIS Pro facilite l'affichage en 3D y compris à partir de données SIG 2D. ArcGIS Pro dispose d'un moteur d'affichage 3D totalement nouveau (utilisant DirectX ou OpenGL) et de capacité spécifique pour transformer à la volée, via des règles procédurales, des entités 2D/3D en modèles 3D.

1 million de bâtiments 3D et information de traffic sur l'ensemble
de la région Ile de France affichés dans ArcGIS Pro

Une autre différence importante entre ArcGIS Pro et les applications ArcScene/ArcGlobe concerne la conception de mises en page. ArcGIS Pro permet la création de mises en page évoluées dans lesquelles les vues 2D et 3D peuvent être combinées.

Mise en page ArcGIS Pro contenant une carte 2D et une scène 3D

CityEngine

L'application CityEngine est une application indépendante d'ArcGIS Desktop qui a pour principal objectif de permettre la production de modèles 3D en appliquant des règles procédurales  à des données 2D, en important des fichiers 3D existants ou en les dessinant interactivement. Même si cette application n'est pas purement dédiée à la visualisation 3D, elle peut tout de même être évoquée car elle permet de concevoir (et donc de visualiser) des scènes 3D de manière interactive, notamment en faisant évoluer les paramètres des règles de génération des modèles 3D et ainsi proposer des rendus très différents à partir des même données en entrée.

Génération et visualisation de modèles 3D urbains à l'aide
de règles procédurales dans l'application CityEngine

Les contextes 3D créées avec CityEngine sont des scènes (locales) projetées dans un système de coordonnées planaires. Ces dernières peuvent contenir un MNT, une orthophoto (ou tout autre image) et des objets vectoriels 3D texturés ou non. A la différence d'ArcGlobe ou d'ArcGIS Pro, CityEngine supporte un nombre limité d'entités 3D (jusqu'a quelques dizaines de milliers) selon leur complexité et selon la configuration de la machine utilisée. On notera aussi, qu'à la différence des applications d'ArcGIS Desktop, CityEngine est disponible dans les environnements Windows, Mac et Linux.

Scène 3D sur le quartier de Versailles-Chantier dans CityEngine 

Au delà des besoins avancés de manipulation et de visualisation de données 3D pris en charge par les applications bureautiques comme celles évoquées précédemment, un SIG 3D doit pouvoir couvrir des besoins plus simples de consultation. En effet, un SIG 3D complet doit fournir des solutions légères pour la consultation de scènes 3D depuis un simple navigateur web ou via une application sur une tablette, un smartphone ou un poste bureautique.


Les outils de visualisation web

Les évolutions technologiques récentes et la normalisation du W3C autour de WebGL pour la prise en charge des capacités 3D des cartes graphiques par les navigateurs web permettent désormais de proposer des applications web 3D performantes sans nécessiter l'installation d'un plugin. La plateforme ArcGIS tire profit de ces évolutions en proposant depuis quelques années un visualiseur web de scènes 3D intégrés dans ArcGIS Online et Portal for ArcGIS.

La visionneuse de scènes web CityEngine

Visionneuse CityEngine affichant une analyse de visibilité
le long du parcours d'une manifestation

La visionneuse de scène web CityEngine permet, comme son nom l'indique, de consulter des scènes web 3D générées depuis l'application CityEngine. Depuis la version 10.2, ces scènes web peuvent également être produite à partir de l'application ArcScene. Après avoir généré un fichier de scène web 3D (à partir de CityEngine ou ArcScene (fichier *.3ws), il vous suffit de le charger sur votre portail ArcGIS et de le partager avec les groupes d'utilisateurs de votre choix. Cette visionneuse permet ensuite d'afficher cette scène 3D avec les principales fonctionnalités suivantes:

  • Affichage et navigation en 3D dans la scène de manière interactive
  • Navigation en 3D dans la scène à l'aide de géosignets 3D prédéfinis
  • Affichage/Masquage des différentes couches
  • Interrogation des entités et affichage des attributs
  • Rechercher des entités de la scène à partir des valeurs d'attributs
  • Changer les conditions d'éclairage de la scène en fonction d'une date/heure
  • Insertion et partage d'un commentaire géolocalisé dans la scène
  • Réaliser une capture d'écran de la scène
  • Comparaison de deux couches à l'aide de l'outil de balayage

Comparaison de 2 scenarii d'aménagement à Rotterdam

Vous pouvez découvrir différents exemple de scènes web et la visionneuse CityEngine à l'aide de cette application.

La visionneuse de scènes web CityEngine correspond à la première génération de viewer webGL, cette dernière est très performante à l'affichage mais nécessite l'ouverture et le chargement de l'ensemble des objets de la scène en mémoire. Elle est donc réservée à des scènes 3D locales comportant un nombre limité d'entités (jusqu'à quelques centaines d'entités 3D pouvant être texturées ou non).


La nouvelle visionneuse de scènes web 3D

Depuis décembre 2014, ArcGIS Online s'est enrichi d'une nouvelle génération de visionneuse 3D proposant une approche globale et permettant l'affichage d'un plus grand nombre de données 3D et surtout plus dynamiques avec l'intégration de services web d'entités 2D/3D (Feature Services) ou de services d'entités multipatch 3D (Scene Services d'ArcGIS 10.3.1). Pour l'instant disponible uniquement dans les portails ArcGIS Online, cette nouvelle visionneuse web 3D arrivera dans la prochaine version de Portal for ArcGIS (10.3.1).

La nouvelle visionneuse de scènes web 3D d'ArcGIS

Cette nouvelle visionneuse de scènes web 3D propose un globe mondial avec un MNT d'une résolution allant de 90 m. à 1 m. selon les pays (30 m. en France) et les fonds de carte de la plateforme ArcGIS (Imagerie, carte topo, carte routière, carte océanographique, ...).

La nouvelle visionneuse de scènes web 3D avec le fond de carte "Imagerie"
La nouvelle visionneuse de scène web 3D affichant des traces d'ouragan
sur le fond de carte "Océans"

Tout comme la visionneuse de scènes web CityEngine, la nouvelle visionneuse de scènes web 3D est basée sur la technologie WebGL et ne nécessite donc pas de plugin. En revanche, elle n'affiche pas des scènes de données statiques mais des scènes dont les données proviennent de services ArcGIS et contenant des données 2D et/ou 3D. Ces derniers peuvent être affichés à leur propre altitude (si les entités ont un Z) ou bien être drapées sur le MNT. Ces services peuvent être des services tuilés (en compact cache 10.3) ou des services d'entités ArcGIS (hébergées sur ArcGIS Online ou ArcGIS Server). 

Exemple de scène web affichant les données Corine Land Cover sur l'Ile de la Réunion
drapé en 3D et en transparence sur le fond de carte "Topographie"
  
Cette nouvelle visionneuse affiche des scènes web 3D. Ces dernières sont très similaires aux cartes web (2D). Elles sont conçus en ligne sur le portail ou directement depuis ArcGIS Pro. Elles peuvent être partagées avec les groupes d'utilisateur de votre choix et pourront bientôt être affichées dans la plupart des apps de la plateforme ArcGIS.
  
  
Les outils de visualisation sur mobiles

Un SIG 3D complet doit permettre l'accès aux données 3D du SIG sur tous les périphériques y compris les appareils mobiles comme les smartphones ou les tablettes. Sur ces derniers, les navigateurs web ne supportent pas (ou partiellement) le standard WebGL. Ainsi, les navigateurs d'un certain nombre de smartphones et de tablettes ne peuvent exploiter les 2 visionneuses web 3D évoquées précédemment.

Dans la plateforme, les applications natives pour la visualisation de cartes web repose sur la technologie des SDK ArcGIS Runtime (Qt, .Net, Mac OS, Android, iOS, java,...), c'est notamment le cas d'Explorer for ArcGIS. Esri travaille donc actuellement à ajouter les capacités de visualisation de scènes 3D dans ces SDK ArcGIS Runtime, ceci devrait arriver progressivement au cours du 2ème semestre 2015. L'objectif est de fournir aux développeurs de nouvelles capacités 3D et permettre également pour Esri d'ajouter l'accès aux scènes web 3D dans des apps comme Explorer for ArcGIS.

Ci-dessous, une vidéo que j'ai réalisée d'une application ArcGIS Runtime (.Net) s'exécutant sur une tablette Microsoft Surface affichant .




Diffuser ses données 3D

Au delà de la visualisation, un SIG 3D doit également offrir des capacités d'échange avec d'autres outils de SIG, de CAO/DAO ou d'animation. Selon la cible, différents processus et outils d'export doivent être utilisés.

En standard, ArcGIS Desktop vous permet d'exporter toutes les données vectorielles 3D vers d'autres SIG en utilisant des formats simples comme les fichiers ASCII XYY ou vers des formats plus structurés tels que le format File Geodatabase, le format Shapefile, les formats DXF, DWG et DGN, ou encore le format Google KML/KMZ.

Des processus d'export plus évolués et des formats complémentaires sont disponibles via l'extension Data Interoperability d'ArcGIS. Par exemple, vous pourrez réaliser des exports de vos données vectorielles 3D aux formats GML, CityGML, Sketchup, 3D Studio (3DS), Autodesk Civil 3D, Autodesk DWF, GPX, Collada, Wavefront OBJ, X3D, LandXML ou encore Adobe PDF 3D.

Avec CityEngine, d'autres formats vous seront également proposés avec des options intéressantes de généralisation 3D et de gestion des facettes et des textures sur les modèles 3D. Ces formats sont les suivants: Wavefront OBJ, Autodesk FBX, Collada DAE, KML/KMZ, Renderman RIB et e-On Vue (VOB)


Diffuser ses scènes 3D

Plus que les données 3D, vous pouvez également diffuser des scènes 3D complètes. Pour cela, différentes options plus ou moins avancées sont proposés par la plateforme ArcGIS.

Images ou vidéos

Vous pouvez tout d'abord concevoir une scènes 3D puis la diffuser en l'enregistrant en tant qu'images ou vidéos. ArcScene et ArcGlobe proposent des outils d'export en haute-résolution d'images de vos scènes 3D. Ces dernières proposent également la configuration d'animation et leur export en tant que vidéo au format AVI ou Quicktime.



Exemple d'animation exportée en vidéo depuis ArcGlobe
 
VRML

Il est également possible de diffuser des scènes 3D plus interactives en utilisant le format VRML (Virtual Reality Modeling Language). Ce format de fichier standardisé peut ensuite être ouvert à l'aide de n'importe quel viewer VRML.

Scènes web 3D CityEngine

Une autre option pour partager des scènes 3D interactives consiste à les publier sur le web en tant que scènes web 3D CityEngine. Comme évoqué un peu plus haut dans cet article, il s'agit de concevoir une scène 3D avec CityEngine ou ArcScene et de la publier sur un portail ArcGIS pour la partager avec des utilisateurs qui la consulteront via la visionneuse de scènes web CityEngine.

  
Nouvelles scènes web 3D ArcGIS

Comme évoqué plus haut dans cet article, depuis décembre 2014, la plateforme ArcGIS propose une nouvelle option pour publier des scènes 3D sur le web. Le principe est de pouvoir concevoir une scène 3D composée de services web 2D ou 3D ArcGIS en s'appuyant sur un globe Esri composé du MNT mondial et des fonds de carte ArcGIS (ou vos propres fonds de carte bien entendu). Aujourd'hui, en version 10.3, seuls des "Feature Services" et des "Tiled Map Services" peuvent être utilisés dans ces nouvelles scènes web 3D.

Exemple de scène web 3D réalisée par la Communauté de Communes d'Albères - Côte Vermeille
    
Ces nouvelles scènes web 3D ArcGIS peuvent être conçues selon deux méthodes. L'utilisateur définit son contenu interactivement dans son portail ArcGIS en créant une nouvelle scène web 3D et en y ajoutant les différents services qu'il souhaite afficher. L'autre méthode consiste à concevoir sa scène 3D dans l'application ArcGIS Pro puis de publier l'ensemble (services web + scène web) en une seule fois avec les outils de partage web d'ArcGIS Pro. Ceci est faisable avec la version actuelle d'ArcGIS Pro du moment que votre scène contient des couches de points, de lignes et de polygones (les couche de type multipatch ne seront pris en charge qu'à partir de la 10.3.1 et ArcGIS Pro 1.1).
 
   
A partir de la version 10.3.1, un nouveau type de service web (les "Scene Services") fera son apparition dans ArcGIS Server (puis sur ArcGIS Online) pour diffuser des services d'entités de type multipatch (texturées ou non). Ces "Scene Services" implémenteront un mécanisme de cache et de streaming optimisé de données 3D pour permettre la prise en charge d'importants volumes de données.

Exemple de scène 3D contenant un "Scene Service" ArcGIS 10.3.1
   
   
Conclusion

Nous avons balayé, à travers cette série de 5 articles (1234 et 5), ce qu'est un SIG 3D (en tout cas la vision que nous en avons chez Esri) et son implémentation à travers la plateforme ArcGIS. De l'intégration à la publication en passant par la conception, la mise à jour et l'analyse de la donnée 3D, vous aurez constaté la richesse et l'homogénéité qu'apporte une seule et même plateforme technologique pour prendre en charge tous ces aspects. Dans ce dernier article, j'ai évoqué brièvement les prochaines évolutions autour des scènes 3D et leur diffusion sur le web et vers les applications mobiles, c'est un sujet d'actualité pour les prochains mois, nous y reviendrons donc largement dans arcOrama.
  

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