Un des principaux fils conducteurs de la plénière de la conférence [Live] SIG 2021 cette année concernait l'implémentation par nos utilisateurs, à différentes échelles, de jumeaux numériques de leur territoire. En effet, depuis quelques années maintenant, la convergence des technologies géospatiales (SIG), de la modélisation des informations des infrastructures (BIM), des capteurs et des flux de données temps-réel (IoT), de la Reality Capture et des expériences immersives (3D et AR/VR), a clairement validé la pertinence des "jumeaux numériques des territoires".
Les technologies sont désormais matures et les données disponibles pour créer et exploiter ces jumeaux numériques sur des équipements, des sites, des villes entières et même des systèmes naturels plus vastes encore. Chez Esri, on nous demande fréquemment comment le SIG se positionne dans la stratégie de jumeau numérique de nos utilisateurs. Je vous propose quelques éléments de réponse les plus courantes.
Les jumeaux numériques sont des représentations virtuelles du monde réel, incluant les objets physiques mais aussi les processus, les relations et les comportements qui les régissent. Dans le contexte de territoires, nous parlons généralement de modèles virtuels d'équipements et d'infrastructures du monde réel ou de systèmes naturels ainsi que de modèles d'informations, de référentiels de données, de rapports, d'analyses et d'expériences utilisateur destinés à suivre l'état et les performances de son territoire. Le jumeau numérique fournit l'état actuel, en temps-réel, de son territoire mais peut également être utilisé pour représenter des états passés de ses équipements et de ses infrastructures. Enfin, le jumeau numérique est également un outil indispensable pour la simulation et la prédiction d'informations sur la base de conditions futures.
Le concept de jumeau numérique est né dans l'industrie manufacturière où des modèles numériques précis d'objets complexes, tels que des avions ou des voitures, peuvent être capturés dans une base de données à des fins de rapport, d'analyse et, éventuellement, de simulation et de test des performances d'un objet. Le concept original de jumeau numérique a aidé à déplacer l'usage des données concernant cet objet complexe d'une utilisation strictement financière et comptable vers une utilisation axée sur l'analyse opérationnelle des performances, qui peut ensuite être réitérée dans une perspective financière de la fabrication et de la vente de l'objet.
Aujourd’hui, Esri est impliqué dans de nombreuses discussions sur la façon dont ce concept de jumeau numérique peut être appliqué aux infrastructures du monde réel à des échelles locales ou à des échelles aussi grandes que des villes entières et des environnements naturels. L'idée qu'un modèle numérique d'infrastructure physique peut être utilisé pour aider à comprendre les performances, les coûts et la construction est évidemment séduisante. Étendre le concept de jumeau numérique aux systèmes urbains qui incluent les interactions entre ces infrastructures et des activités humaines (y compris la maintenance et l'exploitation de ces infrastructures), devient encore plus intéressant, mais augmente également la complexité.
Le SIG est utilisé depuis des années pour modéliser des systèmes du monde réel avec une grande précision. Les réseaux de distribution d'énergie, les zonages réglementaires, les limites des parcelles, l'occupation des sols, les réseaux de transports, ... sont tous modélisés dans des SIG à des fins de gestion, de maintenance et de planification. Le concept de jumeau numérique s'appuie sur des méthodes et des technologies déjà anciennes pour le stockage des données, la fédération de systèmes et lla modélisation de données orientée-objet en y ajoutant du réalisme, une expérience utilisateur interactive et des modèles 3D et 4D haute résolution des infrastructures. Au final, le jumeau numérique doit aider le propriétaire, l'opérateur ou le gestionnaire des infrastructures (ou du territoire) à résoudre des enjeux humains, techniques et financiers critiques pour justifier les décisions d'investissement et de changements de processus qui informeront et maintiendront en retour ce jumeau numérique.
Quels types de problèmes un jumeau numérique peut-il aider à résoudre ?
Les trois principaux problèmes auxquels les jumeaux numériques peuvent répondre sont les suivants :
- Historiser l'information - Un jumeau numérique peut être utilisé pour archiver un état dans le temps d'un équipement, d'une infrastructure ou d'un système spécifique. Les limites des parcelles et les modèles de réseaux de distribution d'énergie offrent tous deux de bons exemples de jumeaux numériques de systèmes du monde réel qui peuvent être capturés à des fins réglementaires et opérationnelles. La capture de la réalité (Reality Capture), telle que le nuage de points 3D ou le photomaillage 3D produit avec ArcGIS Drone2Map, Site Scan for ArcGIS ou SURE for ArcGIS, peut servir d'instantané 3D haute résolution du monde réel. À partir de ces instantanés, certains fournisseurs peuvent même en extraire des modèles 3D SIG ou BIM qui peuvent être utilisées comme une information archivée ou comme point de départ pour de futures rénovations ou opérations.
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| Archivage d'information de contexte autour du projet de la ligne de tramway T3 à Marseille (© Egis) |
- Suivi des performances opérationnelles - Disposer d'un modèle virtuel 3D d'un équipement est de pouvoir fournir une expérience 3D pour l'interaction et l'exploration. Chaque jour, les utilisateurs peuvent consulter le jumeaux numériques comme un tableau de bord de la réalité indiquant les performances actuelles du système, souvent avec des flux de données temps-réels et des attributs mis à jour dynamiquement dans la base de données SIG. Ces systèmes sont souvent liés à d'autres systèmes d'entreprise fédérés (GMAO, GED, ERP, ...).
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| Suivi opérationnel d'un projet d'aménagement des Quais Circulaires de Railway Station - San Francisco |
L'un des plus grands avantages que le SIG apporte au jumeau numérique est que le SIG peut stocker, diffuser et fournir des expériences dynamiques pour explorer ses équipements et ses infrastructures en 3D que son territoire soit aussi petit qu'un bâtiment ou aussi grand qu'une métropole, le tout dans un contexte urbanisé ou naturel.
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| Scène web 3D ArcGIS intégrant différents type de données d'un jumeau numérique (Orthophoto, MNT, Objets 3D texturés, modèles BIM, ...) |
- Evaluer ou prédire les performances futures - Certaines attentes autour des jumeaux numériques concernent la possibilité d'utiliser la modélisation fidèle d'un équipement, d'une infrastructure ou d'un ensemble urbain pour simuler, évaluer et prédire ce qui peut se passer dans l'avenir. Dans l'industrie automobile, les jumeaux numériques peuvent être utilisés pour explorer l'aérodynamique des voitures et prédire sa consommation de carburant. Dans l'industrie de l'ingénierie et de la construction, les informations BIM agrégées sont utilisées pour la conception et la construction virtuelles afin de rejouer le plan de construction et détecter d'éventuels conflits de construction ou problèmes de sécurité. À l'échelle d'une ville, les planificateurs veulent pouvoir simuler les changements futurs, tels que la forme ou l'usage de nouveaux bâtiments, les modifications d'une autoroute planifiée ou l'amélioration des digues.
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| Comparaison de différents scenarii de planification urbaine avec ArcGIS Urban - ZAC de La Saulaie à Oullins |
Avec un jumeau numérique à l'échelle d'une ville, une application comme ArcGIS Urban permettra la simulation et l'analyse des changements futurs pour comprendre et optimiser l'impact du changement sur les performances tout en minimisant, par exemple l'impact sur l'environnement ou sur les coûts d'aménagements associés.
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| Analyse démographique temporelle dans ArcGIS Urban - Grand-Lyon |
Le SIG est-il nécessaire pour avoir un jumeau numérique ?
Si l'objectif d'un jumeau numérique est de représenter la connaissance précise de l'historique, de suivre les performances ou de prédire l'état futur d'équipements ou d'infrastructures, alors il bénéficie directement et naturellement de l'intégration dans un SGI de ses données et des données relatives à son contexte. En raison des capacités de collecte, de gestion, d'analyse, de collaboration et de diffusion qui le caractérisent, le SIG est même un socle technologique incontournable des jumeaux numériques à l'échelle de territoires urbains ou naturels tels que des villes, des métropoles, des écosystèmes naturels... et peut également être utilisé pour intégrer des représentations numériques du monde réel à des échelles plus locales tels qu'un quartier, un site industriel, un parc d'attraction, un port, un aéroport, ...
Pour les objets du monde de l'industrie manufacturée, la totalité de l'objet peut être modélisée et représentée à l'aide d'un schéma de données autonome qui peut être utilisé pour concevoir, observer et tester différentes hypothèses. Pour les équipements, les infrastructures ou les systèmes naturels, comme les données sur les sols, la météo, le trafic, les réseaux d'énergie, l'habitat, la maintenance des équipements... ils seront tous stockées dans différents modèles de données avec des qualités de données, des résolutions et des propriétés diverses. Par nature, les SIG sont des systèmes hautement "intégrateurs" et constituent la seule technologie qui fournit une clé simple : "'la localisation géographique" pour permettre une analyse complexe de modèles de données et d'ensembles de données aussi hétérogène.
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| Analyse d'accessibilité des transports en commun - Grand-Lyon |
Au cours de ces 10 dernières années, Esri a investi dans le socle technologique ArcGIS pour en faire une technologie idéale pour intégrer et fédérer des ensembles de données très variés et les exploiter à travers des
tableaux de bord, des
StoryMaps (narration cartographiques), des cartes 2D, 3D et 4D afin de faciliter la communication, l'observation et l'analyse. de systèmes complexes, tels que des territoires urbains. Avec un tel système, plus les données ajoutées sont nombreuses et diverses, plus il offre de capacités.
Il ne faut cependant pas limiter les capacités d'un SIG comme ArcGIS à ses capacités d'intégration, de gestion et d'analyse opérationnelle des données. En effet, les données du SIG alimentent également de nombreuses simulations sur la dynamique et le comportement du monde réel. Un système comme ArcGIS propose des centaines d'outils d'analyse prédictive exploitant notamment des algorithmes de Machine Learning.
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| Estimation et représentation de quantités de données échangées dans le cadre de la planification de réseaux mobiles 5G |
Pour des analyses simples, telles que l'étude de l'impact de l'ombre portée d'un ouvrage futur, le SIG fournit des expériences 3D dynamiques et faciles à utiliser que l'on peut même activer dans un simple navigateur Web. Pour les simulations complexes, des workflows de géotraitement avancés peuvent être utilisés pour simuler des évolutions ou anticiper des pannes sur des réseaux de distribution d'énergie, que l'on pourra consulter à travers un simple tableau de bord. Là où les outils génériques d'analyse d'ArcGIS atteignent les limites des spécificités métiers, des solutions de partenaires d'Esri peuvent permettre, par exemple, de simuler la dispersion de particules de pollution, l'exposition au bruit des habitants ou encore la dynamique complexe d'une crue avec ou sans aménagement adaptés. Nous constatons depuis quelques année chez Esri, une demande croissante pour l'utilisation de contenu SIG dans des applications de simulation tiers. Nous avons pour cela intégré des formats comme multidimensionnel comme le NetCDF ou le CRF et les capacité de représentation raster et vecteur associé comme par exemple avec les Voxels.
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| Exemple de modélisation de phénomènes maritimes, atmosphériques et géologiques en 3D dans ArcGIS à l'aide de modèles de voxels |
Quelles sont considérations qui déterminent les limites d'un projet de jumeau numérique ?
Ne pas se perdre dans la modélisation de tout à l'infini...Lorsqu'on aborde un projet de jumeau numérique, comme pour toute conception de système complexe, l'opérateur de ce jumeau numérique doit identifier les critères qui aideront à en définir le périmètre tout en garantissant sa maintenabilité à long terme.
Compte tenu de la diversité des utilisations et des contenus des jumeaux numériques, voici quelques-unes des considérations qui aideront à identifier la portée et les exigences :
- Echelle de temps - Le jumeau numérique est-il utilisé pour un seul projet ? Ou est-il prévu pour être utilisé sur un long-terme ? La pratique VDC (Virtual Design and Construction), par exemple, n'utilise généralement réellement le jumeau numérique que pour la durée de vie d'un projet et ne garantit pas que le jumeau sera utilisable pour l'exploitation de l"infrastructure.
- Diversité des parties prenantes - L'équipe de personnes qui travaillera sur ou dépendra du jumeau numérique est-elle une seule équipe de projet ou un écosystème diversifié de participants de plusieurs domaines ?
- Complexité des systèmes - La complexité d'un jumeau numérique augmentera, probablement de façon exponentielle, avec le nombre de systèmes modélisés. Cela est vrai pour les systèmes de construction, tels que la plomberie, l'électricité, la mécanique, la sécurité et les télécommunications, et encore plus vrai pour des campus ou des villes. Pour aider à limiter la complexité, le nombre de systèmes modélisés dans un jumeau numérique devra être axé en priorité sur les problèmes que le jumeau sera utilisé pour résoudre.
- Propriété des données - La propriété des données détermine à la fois les droits d'accès aux données et les opportunités de connexion entre les sous-ensembles de données du jumeau numérique. Les propriétaires d'une infrastructure, d'un campus ou d'un site de bâtiments industriels/commerciaux peuvent décider de prendre le contrôle sur les données disponibles et définir les exigences pour les autres données entrantes. Les opérateurs à l'échelle d'un quartier ou d'une ville peuvent avoir du mal à assembler un jumeau numérique qui traite les applications souhaitées si les données relatives aux réseaux, aux équipements privés ou autres systèmes qui ont un impact sur leurs opérations mais qui ne sont pas sous leur contrôle.
- Sécurité des données - La sécurité d'un système, tel qu'un jumeau numérique, sera déterminée par les exigences des données les plus sécurisées du système. Ce n'est pas parce qu'un ensemble de données hautement sécurisé qui pourrait être inclus dans un jumeau numérique le sera si les restrictions d'accès finissent par limiter les exigences des parties prenantes ou d'autres capacités du jumeau numérique.
Un jumeau numérique est un modèle virtuel de plusieurs systèmes d'objets du monde réel. Dans un contexte scientifique, un modèle est utilisé soit pour mieux comprendre les interactions entre les objets de ces systèmes, pour tester des hypothèses sur l'évolution de ces systèmes, ou pour prédire les états futurs de ces systèmes. Les modèles scientifiques sont généralement conçus pour tester des objets spécifiques d'un système et ne peuvent souvent pas être étendus pour tester ou prédire des scénarios qui n'ont pas été pris en compte lors de la création du modèle. Lors de la construction d'un projet de jumeau numérique, il est important de considérer que le succès se mesurera à l'atteinte de résultats limités mais réalisables, et non à la résolution de potentiellement tous les problèmes à la fois.
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| Scène web ArcGIS permettant la comparaison de différents scenarii de crue à Francfort |
Quelques sont les éléments de réussite pour la constitution d'un jumeau numérique ?
De nombreux éléments entrent en compte dans la réussite d'un projet de jumeau numérique. Ce sont, pour l'essentiel, les mêmes éléments qui conduisent à la réussite des projets informatiques dans tous les secteurs. Fondamentalement, le jumeau numérique dépend largement des données, de la capacité de connecter ces données et de la capacité à créer des expériences utilisateur simple sur des traitements/systèmes potentiellement complexes pour les aider à résoudre des problèmes et à améliorer la compréhension de leur territoire.
- Des résultats bien définis - Les problématiques et les exigences en matière de rapport et d'analyse vont directement déterminer les exigences en matière de données et les expériences qui seront construites pour le jumeau numérique. Spécifier un ensemble clair de résultats, de rapports et d'analyses souhaités à l'avance contribuera à rendre le jumeau numérique plus réalisable. Aucune implémentation technologique n'est statique et les futures itérations du jumeau numérique peuvent incorporer plus d'exigences. Une fois de plus, le caractère souple et générique des applications de reporting d'un SIG comme ArcGIS sera probablement un point clé.
- Approche "Design Thinking" - Une compréhension approfondie de la façon dont un jumeau numérique sera utilisé (qui, quoi, comment) aidera à concevoir des expériences qui permettront de travailler avec ce dernier. L'utilisation d'un jumeau numérique comme un ensemble de tableau de bord sur des systèmes de données en temps réel aura une expérience utilisateur différente de celle d'un jumeau numérique utilisé comme outil de planification et de simulation utilisant des technologies de réalité virtualisée (AR/VR/MR) pour explorer les changements futurs. Les expériences ne peuvent être comprises qu'en travaillant avec les parties prenantes engagées tout au long de la planification et de la conception du jumeau numérique.
- Des exigences claires pour architecturer l'information - "Si vous ne demandez pas, vous n'obtenez pas"... Le propriétaire du jumeau numérique devra bien comprendre cela pour à la fois comprendre quelles sont les données dont auront besoin les futurs utilisateur du jumeau numérique mais aussi pour pouvoir définir les spécifications des données qui devront être fournis pour l'alimenter. Cela peut nécessiter un investissement initial supplémentaire, mais c'est également le seul moyen d'obtenir de manière fiable des données standardisées et de qualité garantie pour nourrir le jumeau numérique. La aussi, de nombreuses capacités d'ArcGIS vous aideront à qualifier, valider et documenter la qualité des données lors de leur intégration dans le jumeau numérique de votre territoire.
- Normes et API de données ouvertes - Étant donné que l'intégration des données et des systèmes constitue une grande partie de la problématique de la création d'un jumeau numérique, les "clients" de ce dernier doivent spécifier des normes et les standards ouverts qui leur permettront de se connecter aux données dans les nombreuses applications, de manière fiable et sur toute la durée. Cela sera vrai pour les services web interopérant le jumeau numérique mais aussi pour les données raster et vecteur 2D et 3D en entrée/sortie du jumeau numérique comme les modèles BIM par exemple. Toutes ces types de données peuvent être livrés selon des types de fichier et des modèles de données standardisés par l'industrie. On. notera ici, la longue expérience d'ouverture d'Esri dans l'implémentation des normes ISO, W3C, OGC... et des standards dans différentes industries (Bases de données (SQL/NoSQL), Plateformes de services sur le Cloud, Imagerie, CAO/DAO, BIM, IoT, ...). ArcGIS est aussi une plateforme ouverte et moderne pour les développeurs proposant plusieurs APIs JavaScript (Esri, Mapbox, OpenLayers, Leaflet) pour créer des applications web riches et SDKs Runtime (.Net, Java, iOS, Android, QT, ...) pour créer des applications natives connectées/déconnectées.
- Authentification et licence standardisées - Si un jumeau numérique doit être utilisé par une petite équipe, l'accès et l'authentification peuvent ne pas être un gros problème. Si un jumeau numérique doit être utilisé par un grand nombre de collaborateurs et de parties prenantes dans une organisation telle qu'une ville, les exigences doivent spécifier comment les ensembles de données fédérés seront accessibles à l'aide de modèles d'authentification et d'identité standardisés. Des technologies comme ArcGIS Enterprise, par exemple, est idéale pour le partage sécurisé au sein d'une organisation, mais la combinaison avec des solutions SaaS comme ArcGIS Online et son composant ArcGIS Hub Premium ajoutera la possibilité de partager plus largement certains contenus et applications auprès de différents partenaires et de communautés d'utilisateurs en restant dans un environnement hautement sécurisé.
- Choisir une architecture modulaire et scalable - L'architecture informatique sur laquelle votre jumeau numérique devra être suffisamment souple et évolutive pour supporter à la fois l'évolution de son scope fonctionnel et l'accroissement du nombre d'utilisateurs qui s'y connecte. La conception d'un jumeau numérique à l'échelle d'un territoire comme une ville ou une métropole nous place généralement dans une perspective de long terme. Il convient donc de pouvoir activer différents modules fonctionnels au cours du temps pour supporter les nouvelles applications et les nouvelles attentes des utilisateurs autour de votre numériques. Il devra également être en capacité de supporter des pics d'accès. Qu'ils soient ponctuels, durant des périodes de crise par exemple, ou plus durables suite à l'élargissement à de nouvelles communautés d'utilisateurs, votre jumeau numérique devra reposer sur une architecture scalable pour garantir des performances optimum durant sa durée de vue. A plusieurs titres, ArcGIS est une plateforme adaptée à ces contraintes. Que l'on soit dans une approche de déploiement "On-premise", "Saas" ou "Hybride", les composants logiciels d'ArcGIS Enterprise ou d'ArcGIS Online répondent à ces exigences, en particulier avec les récentes évolutions d'ArcGIS en termes de containérisation et de virtualisation avec Kubernetes.
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| Analyse dynamique d'ombrage en web sur 360 000 bâtiments |
Quelle est la prochaine étape pour ArcGIS et les jumeaux numériques ?
Aujourd'hui, les clients d'ArcGIS peuvent combiner les données de Reality Capture (Imagerie/Vidéo orientée, Lidar, Photomaillage, ...), les données 3D et 2D ainsi que les flux de données temps réel dans des expériences interactives dynamiques pour aider à décrire des équipements, des infrastructures (comme des réseaux d'énergie ou de transport) ou des villes entières. Ces jumeaux numériques géospatiaux, lorsqu'ils sont construits avec ArcGIS, peuvent être explorés sur des appareils mobiles, dans des navigateurs Web ou via des applications bureautiques riches proposée par Esri, par ses partenaires ou n'importe quel développeur d'application spécifique. Les bases de données géographiques qui sous-tendes ce jumeau numérique, peuvent être stockées dans ArcGIS Online ou ArcGIS Enterprise. Elles sont accessibles via une grande variété d'API, de services web et de formats de données standards et ouverts facilitant l'échange et l'intégration avec d'autres systèmes d'entreprise tels que Microsoft Office 365, SAP Hana, IBM Maximo/Tririga, ServiceNow, Autodesk Construction Cloud, Amazon Web Service, Google Cloud Platform, Microsoft Azure et beaucoup plus.
Beaucoup de nos clients se lancent déjà dans l'exploration de l'art du possible aujourd'hui.
- L'aéroport d'Amsterdam Schiphol a construit un jumeau numérique dynamique de ses locaux aéroportuaires intégrant des données BIM dans ArcGIS avec des flux de données temps-réel pour les emplacements des aéronefs et des véhicules au sol.
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| Visualisation des conduites aération dans les terminaux de l'aéroport d'Amsterdam Schiphol |
- La société d'ingénierie Egis utilise des applications web 3D ArcGIS innovantes pour créer des jumeaux numériques de leurs projets de construction et suivre la performance des infrastructures tout au long de leur cycle de vie. Cela permet, par exemple, de présenter une visualisation dans le temps des incidents et des coûts dans les différentes phases du projet (y comprise en phase de maintenance) et d'explorer les impacts sur le calendrier et le budget.
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| Suivi des inspections et des opérations de maintenance sur une infrastructure (© Egis) |
- L'aéroport international Hartsfield-Jackson d'Atlanta gère un jumeau numérique à l'aide de données CAO, BIM, SIG et d'informations sur le contexte environnemental qui renseignent sur la position et l'état des équipements, l'analyse des risques et la gestion des espace.
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| Exemples de restitutions d'information depuis le jumeau numérique de l'aéroport Hartsfield-Jackson d'Atlanta |
- La ville de Zurich a mis en place un jumeau numérique 3D de son territoire (bâtiment, ponts, végétation, zonage réglementaires, ...) avec ArcGIS pour permettre le développement d'applications, la promotion de la compréhension et la simplification de la création de différentes plateformes collaboratives. A l'aide de la visualisation et l'analyse de prototypes 3D numériques et la démonstration des interactions avec l'environnement bâti, des scénarios peuvent être développés numériquement et discutés dans les instances décisionnelles.
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Collaboration autour de différentes propositions d'aménagement avec l'application ArcGIS Urban sur le jumeau numérique de la ville de Zurich
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Dans ces différents exemples, le SIG a joué un rôle central en aidant les clients à modéliser, analyser et observer leurs équipements et leurs territoires depuis des décennies. Les nouvelles technologies, telles que les moteurs de jeu et les flux de données en temps réel, ont ajouté des possibilités intéressantes pour créer des expériences plus interactives et plus riches permettant aux utilisateurs d'explorer, d'analyser et de découvrir leurs actifs et le monde qui les entoure.
Pour le futur, Esri poursuit ses investissements sur la capture de la réalité (Reality Capture), l'intégration des données BIM et des documents techniques dans leur contexte géographique (ArcGIS GeoBIM), l'intégration et le traitement géographique des flux IoT (et des BigData résultantes). On pourra également noté des travaux ambitieux de R&D pour l'intégration du Machine Learning et de Deep Learning dans différents workflows (collecte intelligente de données sur le terrain, prédiction et analyse de tendance, extraction d'entités 2D/3D depuis des collectes d'imagerie ou de Lidar, géocodage contextualisé, ...) et bien d'autres technologies et outils qui aideront nos utilisateurs à créer les grands jumeaux numériques de demain avec ArcGIS.
Plus d'information sur ArcGIS et les jumeaux numériques sont à découvrir
dans cette page.
