Intégration sig et simulation

Int´ egration SIG et simulation Rapport de stage Master Informatique option IA & Multim´edia 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´e : Institut de la Francophonie pour l’Informatique & Universit´e de La Rochelle Hanoi, le 26 aoˆ ut 2009 Remerciements Mes remerciements vont en premier lieu `a Alexis Drogoul, pour m’avoir propos´e ce stage et m’avoir int´egr´e ` a l’´equipe du laboratoire MSI Je souhaite ensuite remercier 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 avis´es Je souhaite remercier tr`es chaleureusement Olivier Tessier de l’Ecole Fran¸caise d’Extrˆeme Orient pour le temps qu’il m’a consacr´e et les nombreux renseignements qu’il ma fournis Un grand merci ´egalement `a Johann Sorel pour les longues discussions sur l’utilisation de GeoTools, ainsi qu’`a son coll`egue de GeoMatys Martin Desruisseaux, de mˆeme que Jody Garnett de l’´equipe de d´eveloppement GeoTools et la communaut´e d’utilisateur de GeoTools Merci ` a Philippe Papin, Sylvie Fanchette, V´eronique Gaildrat, St´ephanie Desvaux et tout particuli`erement Mathieu Larive pour tous les documents concernant les villages vietnamiens et la g´en´eration automatique de zones urbaines auxquels ils m’ont donn´e acc`es Merci encore ` a ma famille, parents, fr`eres et futures belle-soeurs, ainsi qu’`a la famille de Thao, pour les voyages de et jusqu’aux a´eroports, et pour la nourriture et la bonne humeur associ´ees Enfin, je souhaite remercier tr`es particuli`erement Pham Phuong Thao pour son soutien in´ebranlable tout au long de ce stage et son regard critique toujours juste i R´ esum´ e Le laboratoire MSI travaille actuellement sur un programme de simulation nomm´e GAMAVI, en partenariat avec le CIRAD Cette simulation se base sur des donn´ees SIG r´eelles, notamment sur quelques villages au Nord du Vietnam Aucune donn´ee n’existant ` a ce jour sur la topologie interne de ces villages, il est devenu n´ecessaire de r´ealiser un programme capable de g´en´erer automatiquement des villages r´ealistes, qui pourront ensuite ˆetre utilis´es pour les simulations ´elabor´ees par le laboratoire Ce travail a fait l’objet d’un stage r´ealis´e au sein du laboratoire MSI de Hanoi, et du laboratoire Geodes de l’IRD a` Paris Ce rapport pr´esente les recherches effectu´ees sur les villages vietnamiens, les techniques de g´en´eration automatique de villes et les SIG, ainsi que le travail de d´eveloppement qui en d´ecoule, et les r´esultats obtenus Mots-cl´ es: g´en´eration 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 mati` eres Remerciements i Table des figures v Liste des Algorithmes vii Introduction 1 Contexte 1.1 1.2 Les villages Vietnamiens 1.1.1 Donn´ees du CIRAD et zone d’´etude 1.1.2 Recherches sur la topologie des villages 1.1.3 Organisation des parcelles d’habitations La g´en´eration automatique de zones urbaines 1.2.1 M´ethodologie 1.2.2 Travaux existants Approche propos´ ee 15 2.1 Approche g´en´erale 15 2.2 R`egles de cr´eation de villages 16 2.3 Algorithmes de cr´eation des villages 17 2.3.1 Extraction des donn´ees 17 2.3.2 Peuplement de la grille 18 2.3.3 Calcul des portes du village 19 2.3.4 G´en´eration des routes principales 19 2.3.5 G´en´eration des quartiers 20 2.3.6 G´en´eration des parcelles d’habitation 21 2.3.7 G´en´eration de l’embase des bˆatiments 22 iii Mise en oeuvre de l’approche 23 3.1 Impl´ementation 23 3.2 Etapes de la g´en´eration des villages 24 3.2.1 Lecture et traitement des donn´ees 24 3.2.2 Cr´eation et peuplement de la grille 31 3.2.3 G´en´eration des routes 31 3.2.4 G´en´eration des quartiers et parcelles 31 3.2.5 Peuplement des parcelles 36 3.2.6 Exportation des donn´ees 36 Conclusion & Perspectives 42 Glossaire 43 Bibliographie 44 Annexes 45 A Cartes du CIRAD 45 B Communes 49 C Photographies de village 54 D Plans d’habitations 58 E M´ ethodes de cr´ eation de routes abandonn´ ees 63 F Cr´ eation de donn´ ees raster 65 iv Table des figures 1.1 1.2 1.3 Localisation des communes d’´etude (communes color´ees) Les ´etapes de la g´en´eration d’une ville Exemple de r´eseau routier g´en´er´e `a partir de donn´ees topographiques [Y Parish 01] 1.4 Exemple de division de blocs par les diagrammes de Voronoi [Perret 06] 1.5 Exemple de r´esultat de la simulation sur Salonica 1.6 Cr´eation des couches de donn´ees pour la ville de Rouen 1.7 Comparaison de la simulation avec la r´ealit´e 1.8 Evolution d’une ville simul´ee par syst`eme multi-agents 1.9 Une ville en construction sous CityGen 1.10 Session de travail du projet Rome Reborn 2.0 sous City Engine 2.1 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 Hi´erachie des ´el´ements pour le peuplement de la grille (de haut en bas : priorit´e maximale `a minimale) 10 11 11 12 13 14 18 Diagramme de paquets du programme Diagramme de classes du paquet Generator Diagramme de s´equence du programme Routes incoh´erentes quittant le Vietnam Routes incoh´erentes vues en entier Carte routi`ere du Vietnam apr`es correction Hi´erarchie de fichier utilis´ee pour le g´en´erateur Un village : affichage issu des donn´ees vectorielles, et conversion dans la grille du g´en´erateur Village poss´edant deux routes principales D´ecoupage en quartiers d’un village poss´edant deux routes principales : les quartiers situ´es le long de la route principale sont tr`es r´eguliers, les autres assez chaotiques D´ecoupage en quartier d’un village Village d´ecoup´e en parcelles : dans la plupart des quartiers, une parcelle n’a pas d’acc`es direct `a la route Village complet, avec une taille d’´el´ement de Village complet, avec une taille d’´el´ement de Carte de village au format raster superpos´ee aux donn´ees vectorielles du CIRAD Les contours des villages sont exag´er´es pour distinguer les donn´ees vectorielles du village g´en´er´e 23 25 26 27 28 29 30 A.1 Contour des villages au Nord du Vietnam 45 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 v 32 33 34 35 37 38 39 40 A.2 Division du Vietnam en communes A.3 Carte des principales routes du Vietnam A.4 Carte des principaux cours d’eau du Vietnam 46 47 48 B.1 B.2 B.3 B.4 B.5 B.6 B.7 B.8 B.9 49 50 50 51 51 52 52 53 53 Commune Commune Commune Commune Commune Commune Commune Commune Commune de de de de de de de de de Chau Minh Dong Phuc Dong Viet Hoang Long Hoang Ninh Hong Thai Nghia Trung Tan My Yen Lu C.1 La rue principale du village, large de m`etres environ, elle parcourt le village en longueur C.2 Une rue secondaire, entre et m`etres, plus ou moins perpendiculaire a la rue principale ` C.3 Les cultures s`eches (l´egumes, arbres fruitiers) se trouvent exclusivement ` a l’int´erieur des parcelles d’habitation C.4 Les mares sont omnipr´esentes `a l’int´erieur du village, les rizi`eres occupent tout l’espace entre les villages C.5 A chaque maison est associ´ee une mare, d’une taille presque ´egale `a la parcelle d’habitation 54 55 56 56 57 E.1 Route g´en´er´ee par l’algorithme ”bordurophobe” En rouge au centre le point de d´epart de la route, en noir la route g´en´er´ee et en jaune les cellules ´eligibles ` a chaque it´eration On constate qu’`a l’approche du bord droit, l’algorithme ne trouve plus de cellules ´eligibles et stagne 64 F.1 Equation de projection F.2 Sch´ema explicatif de la projection 65 66 vi Liste des Algorithmes Algorithme g´en´eral du programme Extraction des donn´ees par couche Peuplement de la grille Calcul des portes du village G´en´eration des routes principales G´en´eration des quartiers Propagation d’un quartier G´en´erations des parcelles vii 17 18 19 19 20 20 21 22 Introduction Mon stage de recherche s’est d´eroul´e 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, unit´e internationale de recherche d´edi´ee ` a la mod´elisation de syst`emes complexes Ce stage s’int`egre au travail du chercheur Edouard Amouroux, qui travaille sur le projet GAMAVI, une simulation de propagation de la grippe aviaire dans les villages de campagne au Nord du Vietnam, sous la plateforme de simulation GAMA Le but du stage est de r´ealiser un g´en´erateur automatique de villages vietnamiens, `a partir de donn´ees SIG r´eelles Les donn´ees sont fournies par St´ephanie Desvaux du CIRAD L’objectif est d’utiliser les donn´ees du terrain et les contours des villages pour g´en´erer la structure des villages : routes, quartiers, bˆatiments Les besoins du projet d’Edouard Amouroux se concentrent sur communes du Nord du Vietnam, soit 81 villages, mais le stage a ´et´e conduit avec l’id´ee de fournir un programme facilement adaptable pour une utilisation dans d’autres contextes La r´ealisation de ce stage a n´ecessit´e la r´eunion de plusieurs domaines tels que l’urbanisme, l’algorithmique et bien entendu les SIG Une importante partie du stage a donc ´et´e consacr´ee ` a la recherche d’informations sur les outils SIG existant, la g´en´eration automatique de zones urbaines, et sur l’histoire et la dynamique des villages au Nord du Vietnam Ce document pr´esente en partie les r´esultats des recherches men´ees sur les villages vietnamiens et sur les m´ethodes actuelles de g´en´eration automatique de zones urbaines Puis nous verrons en partie la m´ethode propos´ee pour r´ealiser ce g´en´erateur La partie pr´esentera la r´ealisation du projet ainsi que les r´esultats obtenus Enfin nous ´evoquerons les perspectives envisag´ees pour le programme r´ealis´e et les enseignements tir´es de ce stage de recherche en conclusion de ce rapport Chapitre Contexte Ce chapitre pr´esente les donn´ees du CIRAD sur les villages du Nord Vietnam (1.1.1), ainsi que les recherches effectu´ees sur les villages vietnamiens (1.1.2,1.1.3) et sur la g´en´eration automatique de zones urbaines (1.2) 1.1 1.1.1 Les villages Vietnamiens Donn´ ees du CIRAD et zone d’´ etude Donn´ ees SIG Les donn´ees SIG sont celles qui sont directement utilis´ees comme entr´ees pour le g´en´erateur de villages Ces donn´ees proviennent du gouvernement Vietnamien et concernent pour la plupart l’ensemble du territoire Deux jeux de donn´ees ont ´et´e fournis : des donn´ees datant du milieu des ann´ees 1990 et des donn´ees de 2008 Ce sont naturellement les donn´ees les plus r´ecente qui ont ´et´e utilis´ees au cours du stage Ces donn´ees comprennent : – Le d´ecoupage 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 donn´ees 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 donn´ees en annexe B Il existe ´egalement des donn´ees relatives aux nombres de fermiers, aux types de fermes et aux esp`eces ´elev´ees, mais ces donn´ees sont agr´eg´ees au niveau de la commune ou du district, et ne sont donc pas utilisables par le g´en´erateur 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 d´edi´ee `a ce sujet a ´et´e ´ecrite en 1937 par Pierre Gourou [Gourou 37], une excellente base pour apprendre `a distinguer les diff´erents types de villages et leurs particularit´es topologiques, mais qui ne correspond pas toujours ` a la r´ealit´e 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´e prises dans des villages de la r´egion de Hai Duong, au Sud-Est de Hanoi Figure C.1 – La rue principale du village, large de m`etres environ, elle parcourt le village en longueur 54 Figure C.2 – Une rue secondaire, entre et m`etres, plus ou moins perpendiculaire `a la rue principale 55 Figure C.3 – Les cultures s`eches (l´egumes, arbres fruitiers) se trouvent exclusivement ` a l’int´erieur des parcelles d’habitation Figure C.4 – Les mares sont omnipr´esentes `a l’int´erieur du village, les rizi`eres occupent tout l’espace entre les villages 56 Figure C.5 – A chaque maison est associ´ee 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 M´ ethodes de cr´ eation de routes abandonn´ ees G´ en´ eration ` a partir du centre du village La premi`ere m´ethode test´ee consistait ` a calculer la centre de gravit´e du village, et `a partir de ce point, calculer les deux points les plus ´eloign´es puis g´en´erer 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 G´ en´ eration ”bordurophobe” Cette approche reprenait le principe de la pr´ec´edente, en g´en´erant les routes a` partir du centre du village L’id´ee ´etait qu’`a chaque it´eration de l’algorithme, le programme devait chercher parmi les cellules ´eligibles pour ˆetre transform´ees 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 garantissant un espace suffisant de part et d’autre pour g´en´erer les quartiers Le probl`eme pos´e par cette m´ethode est qu’en cherchant `a tout prix `a s’´eloigner des bordures, les routes n’atteignaient jamais les portes du village, et l’algorithme finissait par tourner ind´efiniment sans trouver d’´el´ements satisfaisant pour continuer la route Malgr´e cela, cette m´ethode est, parmi les m´ethodes abandonn´ees, celle qui a donn´e les r´esultats les plus int´eressants La figure E.1 montre le r´esultat de cet algorithme sur un village G´ en´ eration par clonage de la bordure Cette m´ethode devait r´esoudre le probl`eme de ”stagnation” de la m´ethode pr´ec´edente Le principe ´etait de g´en´erer la route en clonant la bordure du village Cela n´ecessitait de s´electionner un point de d´epart pour la route, ainsi qu’un point de d´epart et un point d’arriv´ee sur la bordure A partir de l` a, la route se g´en´erait en copiant pas-`a-pas la forme de la bordure, calculant `a chaque it´eration la direction permettant d’acc´eder au prochain voisin de la bordure dans la direction voulue, jusqu’`a atteindre l’arriv´ee La forme des routes g´en´er´ees par cette m´ethode ´etait tr`es bonne, mais cela obligeait l’utilisateur `a s´electionner manuellement les points de d´epart et d’arriv´ee sur la bordure du village C’est pour cette raison que cette m´ethode a ´et´e abandonn´ee 63 Figure E.1 – Route g´en´er´ee par l’algorithme ”bordurophobe” En rouge au centre le point de d´epart de la route, en noir la route g´en´er´ee et en jaune les cellules ´eligibles `a chaque it´eration On constate qu’`a l’approche du bord droit, l’algorithme ne trouve plus de cellules ´eligibles et stagne 64 Annexe F Cr´ eation de donn´ ees raster La cr´eation de donn´ees raster implique la g´en´eration de deux fichiers : – Un fichier image (g´en´eralement TIF, JPEG ou PNG) – Un fichier de r´ef´erencement appel´e fichier ”World” Le fichier image est un fichier classique contenant une repr´esentation visuelle des donn´ees Le principe est d’utiliser l’image comme une matrice de donn´ees, les diff´erentes valeurs de couleur ou de transparence permettant de caract´eriser chaque point de l’image Ces cat´egories ne sont pas indiqu´ees dans les fichiers de donn´ees, et doivent ˆetre sp´ecifi´ees par l’utilisateur des donn´ees Le fichier World est un simple fichier texte, portant le mˆeme nom que le fichier image, et dont l’extension a ´et´e modifi´ee en fonction de celle du fichier texte : la premi`ere lettre demeure identique, la seconde lettre correspond `a la derni`ere lettre de l’extension de l’image et la troisi`eme lettre est remplac´ee par ”w” Par exemple : jpg → jgw tif → tfw png → pgw Le fichier World contient param`etres permettant de positionner correctement les donn´ees sur une carte Ces param`etres, nomm´es dans l’ordre A,D,B,E,C,F, correspondent ` a la r´esolution de l’´equation F.1, avec (x,y) les coordonn´ees d’un point dans l’image, et (x’,y’) les coordonn´ees correspondantes dans la projection La figure F.2 illustre la transformation op´er´ee pour passer du rep`ere image au rep`ere monde Figure F.1 – Equation de projection Ces param`etres peuvent ˆetre trouv´es plus simplement de la fa¸con suivante : 65 Figure F.2 – Sch´ema explicatif de la projection – – – – – A = cos(θ)×(taille d’un pixel dans la projection) B = −sin(θ)×(taille d’un pixel dans la projection) D = −sin(θ)×(taille d’un pixel dans la projection) E = −cos(θ)×(taille d’un pixel dans la projection) (C,F) = coordonn´ees dans la projection du coin sup´erieur gauche de l’image Voici un exemple de contenu d’un fichier World : 0 -1 585210.3679947335 2294813.411915316 66 ... villages vietnamiens (1.1.2,1.1.3) et sur la g´en´eration automatique de zones urbaines (1.2) 1.1 1.1.1 Les villages Vietnamiens Donn´ ees du CIRAD et zone d’´ etude Donn´ ees SIG Les donn´ees SIG sont... Il n’existe pas actuellement d’´etude `a jour sur la topologie et la dynamique de construction des villages vietnamiens La seule ´etude d´edi´ee `a ce sujet a ? ?et? ?e ´ecrite en 1937 par Pierre... ville peut ˆetre d´ecoup´ee en plusieurs ´etapes, comme indiqu´e par la figure 1.2 Ces diff´erentes ´etapes peuvent ˆetre trait´ees de fa¸cons ind´ependantes, et en utilisant des m´ethodes diff´erentes