Visualisation de données 3D en cartographie En particulier les

Henry Chodron de Courcel
Thibault Matot
19/03/2010
Projet de Veille Technologique :
Visualisation de données 3D en cartographie
En particulier les cartes marines
Rapport Final
Table des matières
I/Introduction....................................................................................2
II/Organismes, conventions et normes.........................................3
1-Généralités...........................................................................................3
2-Normes de cartographie électronique...............................................3
III/Visualisation 3D pour ECDIS......................................................4
1-Pourquoi...............................................................................................4
2-Propositions........................................................................................ 4
IV/Conclusion...................................................................................8
V/Annexes........................................................................................ 9
I/Introduction
Ce travail est fait dans le cadre pédagogique du projet de veille technologique sous la tutelle de
Guillaume Moreau. Dans un premier temps nous allons regarder les normes existantes sur la
cartographie électronique. Dans le cadre des cartes marines, le système électronique de visualisation
normalisé est appelé ECDIS. Nous verrons ensuite les axes de recherches principaux sur la
visualisation 3D sur ces systèmes ECDIS, à savoir l'architecture, la structuration des données et
l'affichage.
II/Organismes, conventions et
normes
1-Généralités
La normalisation internationale dans le cadre de la navigation a commencé en 1912 après
l'accident du Titanic. Il a donné jour à la première convention SOLAS: Safety of Life at Sea qui
définit tout ce qui doit être pris à bord d'un bateau, y compris le jeu de cartes marines. En ce qui
nous concerne, la version à appliquer est la version 19 de 1974 qui stipule qu'un système
électronique de navigation respectant la norme ECDIS suffit à lui seul et remplace les cartes
papiers.
L'organisme validant les ECDIS est l'IMO: International Maritime Organisation. Fondé à Genève
en 1948, il est basé à Londres. Dans les résolutions A.817 (19), MSC.64 (67) and MSC.86 (70) de
1995 et amendé en Mars 1999, on définit ce qu'est un ECDIS.
Enfin, il existe un autre organisme, l'OHI: l'Organisation Hydrographique Internationale basé à
Monaco qui a pour objectifs :
- La coordination des activités des Services hydrographiques nationaux;
- La plus grande uniformité possible dans les cartes et documents nautiques;
- L´adoption de méthodes sûres et efficaces pour l´exécution et l´exploitation des levés
hydrographiques;
- Le progrès des sciences relatives à l´hydrographie et des techniques utilisées pour les levés
océanographiques.
Ces organismes travaillent ensemble pour normaliser les systèmes de cartographie, notamment et
de plus en plus électroniques et informatisés.
2-Normes de cartographie électronique
Il existe plusieurs types de cartes électroniques et plusieurs systèmes de visualisation. Il a fallu
donc définir des ensembles pour établir des normes. Voici les définitions données par l'OHI.
a)Définitions
Il y a 2 types de systèmes de navigation et de visualisation de cartes électroniques:
-les ECDIS(Electronical Chart Display Information System): ceux qui respectent la norme
IMO/SOLAS
-les ECS(Electronical Chart System): ne peuvent pas être utilisés seuls, doivent être en
complément d'un ECDIS
Il existe 2 types de cartes électroniques officielles:
-les ENC(Electronical Navigational Chart): cartes vecteurs compilées à partir d'une base de donnée
d'objets individualisés et géo-référencés à partir des archives d'un service hydrographique
-les RNC(Raster Navigational Chart):carte électronique obtenue à partir d'une carte papier officielle et
mise à jour électroniquement régulièrement.
b)ECDIS
ECDIS est défini avec précision dans les résolutions de l'IMO, voir annexe1. On y retrouve toutes
les attentes et les spécifications concernant: la mise à jour, l'affichage, la transmission des données,
la genèse des zones, etc... On trouve un exemple de spécifications d'ECDIS en annexe2. De plus les
spécifications sont plus complètes pour la navigation à l'intérieur des terres comme on le voit en
annexe3.
Il existe plusieurs projets en cours pour des nouvelles normes ECDIS. Les mini-ECDIS
concernent les petits bateaux, de pêche en particulier. Ils auraient entre autre une visualisation de la
cartographie sous-marine. Cette norme existe déjà en Grande Bretagne, voir annexe4. On retrouve
le premier système spécifié mini-ECDIS en annexe5.
Il existe aussi un projet de port-ECDIS qui faciliterait l'entrée dans les ports pour les gros
tonnages. En effet la réactivité est plus importante dans certains cas et nécessite une meilleur
approche donc un nouveau besoin.
III/Visualisation 3D pour ECDIS
1-Pourquoi
Le transport maritime est de plus en plus important du à la mondialisation. Il en résulte de plus en
plus de trafic et de riques de collision entre les bateaux de gros tonnages. Il faut donc faciliter la
prise de décision grâce aux ECDIS. La visualisation 3D offre un moyen de comparaison directe
avec la réalité. Les décisions sont donc prises plus rapidement, ce qui sert aussi les bateaux à grande
vitesse. De plus, une approche dynamique en temps réel est nécessaire pour intégrer la dimension
des objets mobiles. Les ECDIS commencent donc à intégrer une visualisation 3D en temps réel.
2-Propositions
Il existe des outils de localisation absolue et relative qui grâce à une architecture adaptée amène
une quantité importante de données à trier, sélectionner et afficher pour mieux servir l'utilisateur. En
intégrant la dimension temporelle, les navires alentours avec leurs trajectoires peuvent être
assimilés dans le système. Ces objets mobiles doivent être traités dynamiquement, impossible de les
stocker dans une base de données. Avec ces informations, il devient possible d'analyser et de
prévenir de situations dangereuses. Cette nouvelle approche est décrite dans l'annexe6.
a)Outils
Basé sur des senseurs axés sur la localisation qui transmettent l'information régulièrement,
l'AIS(Automatic Identification System) a été rendu standard par l'IMO dans la convention SOLAS.
Les navires avec un gros tonnage sont maintenant équipé de l'AIS. Les senseurs sont généralement
un GPS, un compas gyroscopique et autres. L'AIS envoie les informations caractéristiques du
navires tels que sa position, sa route, sa vitesse, sa date d'arrivée estimée à un endroit, etc... dans un
rayon de 35 miles à tous navires ou systémes axés sur le trafic comme les port.
La réalité augmentée ou AR(augmented reality) facilite la compréhension de l'environnement vu
par l'utilisateur en identifiant les éléments grâce au positionnement et aux données cartographiques
de l'ECDIS. L'information vient se superposer à des images prises par une caméra. On voit le
principe illustré par l'image qui suit.
b)Architecture
Des architectures sont recherchées pour intégrer la visualisation 3D. Nous avons trouvé un article
de recherche, voir annexe7, sur une architecture particulière testée dans la zone de Brest. Elle est
illustrée par la figure suivante :
Cette architecture utilise l'outil AIS et une approche orientée internet pour répondre aux besoins en
temps réel des navires et des autorités maritimes. Elle repose aussi sur des plateformes basées sur
des langages orientés objet et des bases de données. Ceci nous amène à comment structurer les
données issues d'une carte vecteur ou raster pour la visualisation 3D.
c)Structuration des données
Deux chercheurs, voir annexe8 se sont penchés sur la structuration de données pour ne pas
surcharger une vue de réalité augmentée qui peut aussi bien s'appliquer à la visualisation 3D.
Ils proposent une structure hiérarchique en classes héritées à partir de la liste des 181 objets dictés
par les ENC et en définissant des clusters qui seraient les classes dont les « objets des ENC », en
fait des classes, hériteraient. On pourrait alors sélectionner plusieurs « objets des ENC » avec la
classe mère. Ils précisent donc leur façon de faire pour hiérarchiser ces classes.
Il s'agit ensuite de stocker les instances créées qui correspondent en fait à l'ENC. C'est là que
Haase et Koch proposent CityGML car il possède la structure pour l'apparence, la description de la
classe avec sa hiérarchie. De plus, le thème complet de CityGML est proche des 181 objets des
ENC avec 9 différences au sein de sous définitions . Voici un schéma qui explique la conversion
des données ENC dans CityGML:
CityGML offre une extension au domaine d'application(ADE). Ils en ont créer une appelée
ADEenc. Voici quelques exemples d'équivalence entre des données ENC et CityGML :
Pour faire correspondre toutes les définitions, quelques extensions doivent être ajoutées, en voici
quelques-unes :
Cette structuration des données proposée offre alors la possibilité de sélectionner les « objets »
affichés. Voici un schéma qui indique les niveaux d'affichage avec les noeuds correpondant à des
groupements d'« objets »:
d)Affichage
Pour l'affichage lui-même de la visualisation 3D, des études sont en cours. Une de ces études, voir
annexe9, propose d'utiliser la vue 3D utilisé dans les simulateurs comme celui de l'Ecole Navale de
Brest à l'intérieur des bateaux en mer. La visualisation 3D offre 2 vues possibles:
-la « vue de l'oiseau »: correspond à une vue du dessus. On voit ici la baie de Brest.
-La « vue du pont »: correspond à une vue immergée, voir annexe (en anglais)
L'étude conclut avec une préférence pour la « vue du pont » en se basant sur une analyse théorique
en spécifiant le besoin de tests pour valider cette préférence. Quelques-soit la vue, l'analyse des
objets et l'affichage de leurs contours est crucial pour bien les visualiser. En effet, le but de la
visualisation 3D est de comparer avec la réalité en facilitant son interprétation.
IV/Conclusion
Nous avons ainsi vu les normes existants sur la cartographie électronique. L'OHI a récemment fait
une publication en annexe9 destinée à répondre aux questionnement des utilisateurs. Nous avons vu
le besoin grandissant d'intégrer un visualiseur 3D pour les systèmes d'information de navigation et
de visualisation cartographique. Pour cela, plusieurs études sont faites pour établir une architecture
et une structuration des données qui permettent d'afficher une vue 3D optimisée pour les utilisateurs.
La norme ECDIS va évoluer dans sa définition avec une nouvelle norme qui devrait arriver en
2012. Elle s'appliquera a un nombre plus important de navires. D'ici là, on a une course à
l'adaptation et l'intégration de visualiseur 3D pour les constructeurs privés de systèmes ECDIS.
De plus des recherches sont en cours pour intégrer des données temporelles aux visualisations et
permettre par exemple la détection de voies de navigation privilégiées ou de comportements
anormaux, voir annexe6.
V/Annexes
Annexe1: PERFORMANCE STANDARDS FOR ELECTRONIC CHART DISPLAY AND
INFORMATION SYSTEMS (ECDIS)
Annexe2: Carmenta Engine 4.7
Annexe3: ECDIS intérieur
Annexe4: Mini-Electronic Chart Display and Information System (Mini-ECDIS)
Annexe5: TURBOWIN
Annexe6: Système d'information géographique temporelle maritime ; Des distances linéaires à
l'analyse temps réel des trajectoires
Annexe7: Real-time 3D marine navigation
Annexe8: Extension of Electronical Nautical Charts for 3D interactive Visualization via CityGML
Annexe9: Real-Time 3D Nautical Navigational Visualisation
Annexe10: Facts about Electronic Charts and Carriage Requirements