Intégration SIG et simulation

Integration SIG et simulation Rapport de stage Master Informatique option IA & Multimedia Fabrice Trillaud (fab.trillaud@gmail.com) Encadrant : Alexis Drogoul (alexis.drogoul@gmail.com) Laboratoire : Laboratoire MSI de Hanoi & Laboratoire Geodes du centre IRD de Bondy Universit : Institut de la Francophonie pour l’Informatique & Universit de La Rochelle Hanoi, le 26 ao^ut 2009 Remerciements Mes remerciements vont en premier lieu a Alexis Drogoul, pour m’avoir propose ce stage et m’avoir integr a l’equipe du laboratoire MSI Je souhaite ensuite remer-cier les enseignants de l’IFI et de La Rochelle pour leurs conseils et leur encadrement, ainsi que les equipes du laboratoire MSI et du centre IRD de Bondy Merci a Patrick Taillander et Bertrand Chaussat en particulier, ainsi qu’a Edouard Amouroux pour leurs conseils avises Je souhaite remercier tres chaleureusement Olivier Tessier de l’Ecole Francaise d’Extr^eme Orient pour le temps qu’il m’a consacre et les nombreux renseignements qu’il ma fournis Un grand merci egalement a Johann Sorel pour les longues dis-cussions sur l’utilisation de GeoTools, ainsi qu’a son collegue de GeoMatys Martin Desruisseaux, de m^eme que Jody Garnett de l’equipe de developpement GeoTools et la communaute d’utilisateur de GeoTools Merci a Philippe Papin, Sylvie Fanchette, Veronique Gaildrat, Stephanie Desvaux et tout particulierement Mathieu Larive pour tous les documents concernant les villages vietnamiens et la generation automatique de zones urbaines auxquels ils m’ont donne acces Merci encore a ma famille, parents, freres et futures belle-soeurs, ainsi qu’a la famille de Thao, pour les voyages de et jusqu’aux aeroports, et pour la nourriture et la bonne humeur associees En n, je souhaite remercier tres particulierement Pham Phuong Thao pour son soutien inebranlable tout au long de ce stage et son regard critique toujours juste i Resum Le laboratoire MSI travaille actuellement sur un programme de simulation nomme GAMAVI, en partenariat avec le CIRAD Cette simulation se base sur des donnees SIG reelles, notamment sur quelques villages au Nord du Vietnam Aucune donnee n’existant a ce jour sur la topologie interne de ces villages, il est devenu necessaire de realiser un programme capable de generer automatiquement des villages realistes, qui pourront ensuite ^etre utilises pour les simulations elaborees par le laboratoire Ce travail a fait l’objet d’un stage realis au sein du laboratoire MSI de Hanoi, et du laboratoire Geodes de l’IRD a Paris Ce rapport presente les recherches e ectuees sur les villages vietnamiens, les techniques de generation automatique de villes et les SIG, ainsi que le travail de developpement qui en decoule, et les resultats obtenus Mots-cles: generation automatique, SIG, simulation, topologie, villages, GeoTools Abstract The MSI laboratory is currently working with the CIRAD on a simulation program called GAMAVI This simulation is based on real GIS data, especially on some village in the North of Vietnam As there are no data today concerning the internal topology of these villages, it became necessary to develop a program capable of generating realistic villages automatically, so that they can be used by the laboratory in their simulations This work was given to me as a training inside the MSI laboratory in Hanoi, and the Geodes laboratory at the IRD center in Paris This document presents the researches that have been conducted on the vietnamese villages, the automatic generation of urban zones techniques, and the GIS softwares It also present the development of the program produced during this training and the results obtained with it Keywords: automatic generation, GIS, simulation, topology, villages, GeoTools ii Table des matieres Remerciements Table des gures Liste des Algorithmes Introduction Contexte 1.1 Les villages Vietnamiens 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.2 La generation automatique de zones 1.2.1 1.2.2 Approche proposee 2.1 Approche generale 2.2 Regles de creation de villages 2.3 Algorithmes de creation des villages 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.3.7 iii Mise en oeuvre de l’approche 3.1 Implementation 3.2 Etapes de la generation des villages 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 Conclusion & Perspectives Glossaire Bibliographie Annexes A Cartes du CIRAD B Communes C Photographies de village D Plans d’habitations E Methodes de creation de routes abandonnees F Creation de donnees raster iv Table des gures 1.1 1.2 1.3 Localisation des communes d’etude (communes colore Les etapes de la generation d’une ville Exemple de reseau routier gener a partir de donnees to [Y Parish 01] Exemple de division de blocs par les diagrammes de Voron Exemple de resultat de la simulation sur Salonica Creation des couches de donnees pour la ville de Rouen Comparaison de la simulation avec la realit Evolution d’une ville simulee par systeme multi-agents Une ville en construction sous CityGen Session de travail du projet Rome Reborn 2.0 sous City 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 2.1 Hierachie des elements pour le peuplement de la grille (d bas : priorite maximale a minimale) 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 Diagramme de paquets du programme Diagramme de classes du paquet Generator Diagramme de sequence du programme Routes incoherentes quittant le Vietnam Routes incoherentes vues en entier Carte routiere du Vietnam apres correction Hierarchie de chier utilisee pour le generateur Un village : a chage issu des donnees vectorielles, et la grille du generateur Village possedant deux routes principales Decoupage en quartiers d’un village possedant deux rou pales : les quartiers situes le long de la route principale s reguliers, les autres assez chaotiques Decoupage en quartier d’un village Village decoup en parcelles : dans la plupart des quartie celle n’a pas d’acces direct a la route Village complet, avec une taille d’element de Village complet, avec une taille d’element de Carte de village au format raster superposee aux donnee du CIRAD Les contours des villages sont exageres pou les donnees vectorielles du village gener 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 A.1 Contour des villages au Nord du Vietnam v A.2 A.3 A.4 Division du Vietnam en communes Carte des principales routes du Vietnam Carte des principaux cours d’eau du Vietnam B.1 B.2 B.3 B.4 B.5 B.6 B.7 B.8 B.9 Commune de Chau Minh Commune de Dong Phuc Commune de Dong Viet Commune de Hoang Long Commune de Hoang Ninh Commune de Hong Thai Commune de Nghia Trung Commune de Tan My Commune de Yen Lu C.1 La rue principale du village, large de metres environ, elle le village en longueur Une rue secondaire, entre et metres, plus ou moins perp a la rue principale Les cultures seches (legumes, arbres fruitiers) se trouvent ment a l’interieur des parcelles d’habitation Les mares sont omnipresentes a l’interieur du village, les r cupent tout l’espace entre les villages A chaque maison est associee une mare, d’une taille presq la parcelle d’habitation C.2 C.3 C.4 C.5 E.1 Route generee par l’algorithme "bordurophobe" En rouge le point de depart de la route, en noir la route generee et e cellules eligibles a chaque iteration On constate qu’a l’app bord droit, l’algorithme ne trouve plus de cellules eligibles F.1 F.2 Equation de projection Schema explicatif de la projection vi Liste des Algorithmes Algorithme general du programme 17 Extraction des donnees par couche 18 Peuplement de la grille 19 Calcul des portes du village 19 Generation des routes principales Generation des quartiers Propagation d’un quartier 21 Generations des parcelles 22 vii Introduction Mon stage de recherche s’est deroul au sein de l’equipe du laboratoire MSI de Hanoi, sous la direction d’Alexis Drogoul, ainsi qu’au laboratoire Geodes de l’IRD a Bondy Ces deux laboratoires font partie de l’UMI UMMISCO, unite internationale de recherche dediee a la modelisation de systemes complexes Ce stage s’integre au travail du chercheur Edouard Amouroux, qui travaille sur le projet GAMAVI, une simulation de propagation de la grippe aviaire dans les vil-lages de campagne au Nord du Vietnam, sous la plateforme de simulation GAMA Le but du stage est de realiser un generateur automatique de villages vietnamiens, a partir de donnees SIG reelles Les donnees sont fournies par Stephanie Desvaux du CIRAD L’objectif est d’utiliser les donnees du terrain et les contours des villages pour generer la structure des villages : routes, quartiers, b^atiments Les besoins du projet d’Edouard Amouroux se concentrent sur communes du Nord du Vietnam, soit 81 villages, mais le stage a et conduit avec l’idee de fournir un programme facilement adaptable pour une utilisation dans d’autres contextes La realisation de ce stage a necessit la reunion de plusieurs domaines tels que l’urbanisme, l’algorithmique et bien entendu les SIG Une importante partie du stage a donc et consacree a la recherche d’informations sur les outils SIG existant, la ge-neration automatique de zones urbaines, et sur l’histoire et la dynamique des villages au Nord du Vietnam Ce document presente en partie les resultats des recherches menees sur les villages vietnamiens et sur les methodes actuelles de generation automatique de zones urbaines Puis nous verrons en partie la methode proposee pour realiser ce generateur La partie presentera la realisation du projet ainsi que les resultats obtenus En n nous evoquerons les perspectives envisagees pour le programme realis et les enseignements tires de ce stage de recherche en conclusion de ce rapport Chapitre Contexte Ce chapitre presente les donnees du CIRAD sur les villages du Nord Vietnam (1.1.1), ainsi que les recherches e ectuees sur les villages vietnamiens (1.1.2,1.1.3) et sur la generation automatique de zones urbaines (1.2) 1.1 1.1.1 Les villages Vietnamiens Donnees du CIRAD et zone d’etude Donnees SIG Les donnees SIG sont celles qui sont directement utilisees comme entrees pour le generateur de villages Ces donnees proviennent du gouvernement Vietnamien et concernent pour la plupart l’ensemble du territoire Deux jeux de donnees ont et fournis : des donnees datant du milieu des annees 1990 et des donnees de 2008 Ce sont naturellement les donnees les plus recente qui ont et utilisees au cours du stage Ces donnees comprennent : { Le decoupage administratif du Vietnam en provinces, districts et communes { Les contours des villages du Nord du Vietnam { Les principaux cours d’eaux { Les principales routes Des cartes construites a partir de ces donnees sont fournies en annexe A Zone d’etude La zone d’etude du projet GAMAVI comprend communes dont la carte 1.1 indique l’emplacement par rapport a Hanoi Les cartes des communes sont donnees en annexe B Il existe egalement des donnees relatives aux nombres de fermiers, aux types de fermes et aux especes elevees, mais ces donnees sont agregees au niveau de la commune ou du district, et ne sont donc pas utilisables par le generateur de villages 1.1.2 Recherches sur la topologie des villages Il n’existe pas actuellement d’etude a jour sur la topologie et la dynamique de construction des villages vietnamiens La seule etude dediee a ce sujet a et ecrite en 1937 par Pierre Gourou [Gourou 37], une excellente base pour apprendre a distinguer les di erents types de villages et leurs particularites topologiques, mais qui ne correspond pas toujours a la realit des villages aujourd’hui Voici les principaux Figure B.6 { Commune de Hong Thai Figure B.7 { Commune de Nghia Trung 52 Figure B.8 { Commune de Tan My Figure B.9 { Commune de Yen Lu 53 Annexe C Photographies de village Ces photographies ont et prises dans des villages de la region de Hai Duong, au Sud-Est de Hanoi Figure C.1 { La rue principale du village, large de metres environ, elle parcourt le village en longueur 54 Figure C.2 { Une rue secondaire, entre et metres, plus ou moins perpendiculaire a la rue principale 55 Figure C.3 { Les cultures seches (legumes, arbres fruitiers) se trouvent exclusivement a l’interieur des parcelles d’habitation Figure C.4 { Les mares sont omnipresentes a l’interieur du village, les rizieres occupent tout l’espace entre les villages 56 Figure C.5 { A chaque maison est associee une mare, d’une taille presque egale a la parcelle d’habitation 57 Annexe D Plans d’habitations 58 59 60 61 62 Annexe E Methodes de creation de routes abandonnees Generation a partir du centre du village La premiere methode testee consis-tait a calculer la centre de gravite du village, et a partir de ce point, calculer les deux points les plus eloignes puis generer des routes depuis le centre vers ces points Cette solution ne convenait pas car les points choisis n’etaient pas pertinents, et les routes se limitaient a des lignes droites Generation "bordurophobe" Cette approche reprenait le principe de la prec - dente, en generant les routes a partir du centre du village L’idee etait qu’a chaque iteration de l’algorithme, le programme devait chercher parmi les cellules eligibles pour ^etre transformees en route, celles qui se trouvaient le plus au centre du village Cela aurait permis d’obtenir une route suivant la forme du village, tout en garantis-sant un espace su sant de part et d’autre pour generer les quartiers Le probleme pose par cette methode est qu’en cherchant a tout prix a s’eloigner des bordures, les routes n’atteignaient jamais les portes du village, et l’algorithme nissait par tourner inde niment sans trouver d’elements satisfaisant pour continuer la route Malgre cela, cette methode est, parmi les methodes abandonnees, celle qui a donne les resultats les plus interessants La gure E.1 montre le resultat de cet algorithme sur un village Generation par clonage de la bordure Cette methode devait resoudre le pro-bleme de "stagnation" de la methode precedente Le principe etait de generer la route en clonant la bordure du village Cela necessitait de selectionner un point de depart pour la route, ainsi qu’un point de depart et un point d’arrivee sur la bordure A par-tir de la, la route se generait en copiant pas-a-pas la forme de la bordure, calculant a chaque iteration la direction permettant d’acceder au prochain voisin de la bordure dans la direction voulue, jusqu’a atteindre l’arrivee La forme des routes generees par cette methode etait tres bonne, mais cela obligeait l’utilisateur a selectionner manuellement les points de depart et d’arrivee sur la bordure du village C’est pour cette raison que cette methode a et abandonnee 63 Figure E.1 { Route generee par l’algorithme "bordurophobe" En rouge au centre le point de depart de la route, en noir la route generee et en jaune les cellules eligibles a chaque iteration On constate qu’a l’approche du bord droit, l’algorithme ne trouve plus de cellules eligibles et stagne 64 Annexe F Creation de donnees raster La creation de donnees raster implique la generation de deux chiers : { Un chier image (generalement TIF, JPEG ou PNG) { Un chier de referencement appel chier "World" Le chier image est un chier classique contenant une representation visuelle des donnees Le principe est d’utiliser l’image comme une matrice de donnees, les di erentes valeurs de couleur ou de transparence permettant de caracteriser chaque point de l’image Ces categories ne sont pas indiquees dans les chiers de donnees, et doivent ^etre speci ees par l’utilisateur des donnees Le chier World est un simple chier texte, portant le m^eme nom que le chier image, et dont l’extension a et modi ee en fonction de celle du chier texte : la premiere lettre demeure identique, la seconde lettre correspond a la derniere lettre de l’extension de l’image et la troisieme lettre est remplacee par "w" Par exemple : jpg ! jgw tif ! tfw png ! pgw Le chier World contient parametres permettant de positionner correctement les donnees sur une carte Ces parametres, nommes dans l’ordre A,D,B,E,C,F, correspondent a la resolution de l’equation F.1, avec (x,y) les coordonnees d’un point dans l’image, et (x’,y’) les coordonnees correspondantes dans la projection La gure F.2 illustre la transformation operee pour passer du repere image au repere monde Figure F.1 { Equation de projection Ces parametres peuvent ^etre trouves plus simplement de la facon suivante : 65 Figure F.2 { Schema explicatif de la projection { A = cos( ) (taille d’un pixel dans la projection) { B = sin( ) (taille d’un pixel dans la projection) { D = sin( ) (taille d’un pixel dans la projection) { E = cos( ) (taille d’un pixel dans la projection) { (C,F) = coordonnees dans la projection du coin superieur gauche de l’image Voici un exemple de contenu d’un chier World : 0 -1 585210.3679947335 2294813.411915316 66 ... villages vietnamiens (1.1.2,1.1.3) et sur la generation automatique de zones urbaines (1.2) 1.1 1.1.1 Les villages Vietnamiens Donnees du CIRAD et zone d’etude Donnees SIG Les donnees SIG sont... villages Il n’existe pas actuellement d’etude a jour sur la topologie et la dynamique de construction des villages vietnamiens La seule etude dediee a ce sujet a et ecrite en 1937 par Pierre Gourou... entre et b^atiment Le b^atiment principal mesure entre 10 et 20 metres de long, pour a metres de large Les autres b^atiments se limitent a un coin cuisine, un point d’eau, etable/porcherie, et ne