La géologie a exprimé, face à la géomatique, le besoin de modéliser les objets géologiques en 3D et d'analyser ces modèles pour prendre des décisions plus éclairées. La géomatique répond relativement bien à certain de ces besoins comme celui de construire des modèles géologiques tridimensionnels. Cependant, les systèmes géomatiques (tels que les systèmes d'information géographique) ne sont pas adaptés à la gestion explicite des relations topologiques s'exprimant dans un univers 3D. Ce projet de maîtrise vise à développer une structure de stockage qui régularise les relations spatiales entre des objets tridimensionnels, permettant d'élargir les possibilités d'analyse d'un modèle géologique 3D. Pour réaliser ce projet, quatre étapes ont été nécessaires : 1) inventaire des structures topologiques 2D et 3D, 2) création d'une structure de données géométriques 3D, 3) création d'un prototype et, finalement, 4) réalisation de tests avec le prototype. Avec ces développements, une requête montrant la relation spatiale contient entre des unités géologiques et des fractures a été réalisée en 3D. Les résultats obtenus montrent le grand potentiel de cette approche pour l'analyse de modèle géologique. De plus, la création d'une nouvelle structure topologique de données appliquée aux données géologiques est certes un avancement pour l'application de la géomatique au domaine des sciences de la terre.

L’utilisation de modèles tridimensionnels représente une approche intéressante pour visualiser, comprendre et analyser un environnement géologique. La construction de modèles 3D et leur utilisation demeurent cependant peu répandues dans le domaine de la géologie. Cela peut être expliqué, entre autres, par la diversité des données à disposition et les nombreuses étapes à réaliser afin de construire un modèle 3D valide et cohérent par rapport à son utilisation. Afin d’aider les modélisateurs et les guider dans leur procédure de construction de modèles 3D, ce projet de maîtrise vise l’élaboration d’un guide procédural qui assemble logiquement les étapes de construction d’un modèle géologique 3D tout en décrivant formellement les données géométriques (ponctuelle, linéaire, surfacique et volumique) utilisées. Cette description formelle est basée sur la norme en information géographique ISO/TC211 à laquelle est ajoutée une extension pour la représentation des objets volumiques. Le guide proposé facilite la construction des modèles 3D par des modélisateurs non experts. Il a été testé par des non experts qui ont réussi dans 80% des cas à construire des modèles géologiques 3D ce qui permet d’en confirmer son efficacité et son utilité. / The use of three-dimensional models represents an interesting approach to visualize, understand and analyze a geological environment. In Earth sciences, construction of 3D models and their use remain however not very widespread. That can be explained, in part, by the diversity of available data and the numerous steps required to build a valid and coherent 3D model. The purpose of this project is thus to propose a procedural guide that logically assembles 3D geological model construction steps while formally describing geometrical data (point, line, surface and volume) used. This formal description is based on ISO/TC211 geographic information standards to which an extension for the representation of the volumetric objects is added. The proposed guide facilitates the construction of 3D models by non-expert modellers. It was tested by non-experts who succeeded, in a proportion of 80%, in building 3D geological models which allows us to confirm the effectiveness and utility of the guide.

Depuis peu, l’intégration et l’interprétation des données géoscientifiques peut s’effectuer dans des systèmes d’information géoscientifique (SIGS), afin de bâtir des modèles géologiques en trois dimensions. Ces systèmes sont encore à un stade juvénile de développement et d’utilisation, marqué par peu de méthodes et d’exemples d’application pour guider les utilisateurs potentiels. Une méthodologie de construction de modèles géologiques 3D a donc été développée à l’aide du logiciel gOcad™. Cette méthode est fondée sur l’intégration de données géoscientifiques de surface, d’un modèle numérique de terrain, et d’une mosaïque d’orthophotos. La modélisation est guidée par les contraintes géologiques établies par une étude structurale récente de la région à l’étude. La construction du modèle géologique a permis d’établir la géométrie tridimensionnelle des failles et des plis, ainsi que de déterminer l’extension latérale de ces structures. De plus, la méthode permet de résoudre la construction d’une surface géologique complexe partiellement affectée par un chevauchement. / Québec Université Laval, Bibliothèque 2019

Plusieurs domaines d’application comme la géologie, l’archéologie, ou l’architecture requièrent une gestion explicite de la 3e dimension pour aider, appuyer et réaliser adéquatement leur processus d’analyse et de prise de décision. Mais avons-nous à disposition les outils adéquats qui gèrent explicitement cette 3e dimension tout en appuyant la prise de décision dans des contextes spatiaux? Par exemple, les outils de conception assistée par ordinateur (CAO) offrent plusieurs fonctionnalités pour réaliser la modélisation volumique, mais sont plus limités quant aux fonctionnalités d’analyse spatiale et d’interrogation des données descriptives. Les systèmes d’information géographiques (SIG) et les systèmes de gestion de base de données (SGBD) spatiaux, quant à eux, permettent de visualiser et stocker certaines formes de modèles 3D mais n’offrent que très peu des fonctionnalités de modélisation et d’analyse que ces systèmes offrent habituellement pour le 2D. Du côté de la standardisation, l’ISO et l’OGC ont commencé à réviser certains standards comme le Schéma Spatial ISO 19107 et le Geography Markup Language (GML) afin de normaliser la gestion de la 3e dimension des données géométriques. Ce travail de recherche présente un inventaire des capacités 3D des principales géotechnologies et propose ce que nous pourrions nommer les caractéristiques fondamentales d’un SIG 3D s’appuyant sur une architecture multi tiers (client, serveur et base de données) et exploitant le concept de service Web. Cette architecture offre à partir d’un outil-client des capacités de modélisation 3D et d’interrogation des propriétés spatiales et descriptives d’un modèle 3D stocké au sein d’une base de données sur un serveur distant. Le tout, réalisé à travers le Web et implémentant les standards tels que le WFS, le GML et le Schéma Spatial ISO 19107. Pour valider ces propositions, le développement d’un prototype le Web Geological Feature Server (WGFS) a été réalisé. Le WGFS s’appuie en grande partie sur des composants logiciels open source et donne accès en lecture et en écriture à partir du logiciel CAO Gocad à des données géologiques 3D stockées en format XML dans une base de données MySQL. Son serveur d’applications (Tomcat couplé à Deegree), regroupe la logique applicative ainsi que les bases d’une bibliothèque d’opérateurs spatiaux 3D dont un premier opérateur, le 3D « bounding box », a été implémenté. / Several application domains like Geology, Archeology and Architecture require an explicit management of the 3rd dimension to adequately support the analysis and decision-making process. But do we currently have the adequate tools to manage this 3rd dimension? For example, Computer Assisted Design (CAD) systems are reliable for modeling solids but have limited capability for spatial analysis and data storage. Geographic Information Systems (GIS) and Database Management Systems (DBMS) can handle visualization and storage for some 3D models but they only offer a small portion of the modeling and analysis capacities that they generally offer in 2D. Meanwhile, the International Organization for Standardization (ISO) and the Open Geospatial Consortium OGC started to update some of their standards like the ISO 19107 Spatial Schema and the Geography Markup Language (GML) in order to normalize the management of the 3rd dimension of spatial data. The current study provides a report on the capabilities of available geotechnologies to manage 3D spatial data and presents the fundamental characteristics of a new 3D-GIS based on a multi-tiered approach (client, server and database) with built-in web services. The architecture of this system provides a user with geometrical modeling, spatial analysis and querying capabilities of a 3D model stored with his descriptive properties in a database on a remote server. All this, carried out through the Web and implementing standards such as the WFS specification, the GML language and the ISO 19107 Spatial Schema. To test the feasibility of these proposals, a prototype of a Web Geological Feature Server (WGFS) is developed. The WGFS is an open source based framework that provides read/write access from the CAD software Gocad to 3D geological data (extracted from SIGEOM database) stored in XML format in a MySQL database. Its application server (Tomcat coupled to Deegree), gathers applicative logic as well as the bases of a 3D spatial operators library whose first operator, the 3D bounding box, has been implemented.

L’anticlinal de San Corneli qui se situe dans les Pyrénées centrales espagnoles, est une structure plissée et faillée en contexte d’avant-pays de chaînes de montagnes. Cette structure compressive s’est mise en place lors du développement de la ceinture de chevauchement au-dessus de la plaque ibérique au Méso-Cénozoïque. Géométriquement, l’anticlinal de San Corneli correspond à un pli de propagation (8 km x 10 km) développé au-dessus du chevauchement de Boixòls, soit la structure la plus frontale de la nappe de Boixòls. Des structures extensives pré-compression ont été reconnues au sein de l’anticlinal ; il s’agit d’un réseau de failles normales et de fractures précoces ayant joué lors du dépôt de sédiments dans des bassins extensifs au Mésozoïque. Notre problématique de recherche est de développer une méthodologie de modélisation 3D à partir de techniques existantes pour permettre de vérifier l’influence de ces failles normales sur le développement de l’anticlinal de San Corneli et leur effet sur la géométrie particulière de ce pli de propagation. D’autre part, dans cette région le couvert végétal est minimal et l’anticlinal de San Corneli affleure bien, permettant l’acquisition de nombreuses données de surface et facilitant la modélisation de la géométrie du pli. Afin d’avoir une meilleure compréhension des relations qui existent entre la géométrie de formation d’un pli et les failles précoces, la modélisation 3D s’avère indispensable. La méthodologie utilisée consiste, dans un premier temps, en une modélisation inverse 3D. Le modèle géologique volumique est restauré à l’aide du module Restauration 3D proposé par gOcad, basée sur l’équilibrage de coupe. Cette technique permet d’obtenir un modèle paléogéographique 3D, et ainsi d’y déduire l’emplacement et la géométrie des failles normales préexistantes au moment du dépôt des sédiments dans le bassin. Dans le but de tester différentes hypothèses concernant le mode de développement de ce pli-faille nous avons effectué une série de modélisations directes 3D à partir du modèle paléogéographique. La modélisation directe 3D consiste à revenir à l’état actuel de déformation du modèle. Nous avons pu ainsi mieux apprécier la chronologie des évènements qui ont affecté le pli et voir dans quelle mesure les failles précoces ont influencé la formation du pli de San Corneli. En ce sens, nous avons pu faire ressortir que l’orientation des failles préexistantes par rapport à la contrainte régionale compressive avait une importance sur le devenir de ces structures. / The San Corneli anticline located within the Spanish central Pyrenees, is a foreland fault-related fold. This compressive structure developed within the Boixòls thrust sheet during the emplacement of the fold and thrust belt above the Iberian plate during the Meso-Cenozoic. Geometrically, the San Corneli anticline corresponds to a fault propagation fold (8 km by 10 km). Pre-compression extensive structures have been recognized within the anticline. These syntectonic normal faults and fractures were formed during deposition of sediments in the mesozoic rifted basin. The aim of our research is to determine the influence of these normal faults on the development of the San Corneli anticline and their effect on the particular geometry of this fault propagation fold. We used 3D geometrical modeling to gain a better understanding of the relationship between the pre-existing structures and the geometry and kinematics of the fault propagation fold. Furthermore, in this area the vegetative cover is minimal and the San Corneli anticline is very well exposed giving access to numerous field data and facilitating surface modeling of the present geometry of the fold. Our methodology consists, as a first step, in reverse 3D modeling. The geological model volume is restored using the 3D Restoration plugin proposed by gOcad based on cross section balancing. This technique allows to obtain a 3D paleogeographic model, and thus to deduce the location and geometry of preexisting normal faults with depositing sediments in the basin. In order to test different assumptions about the mode of development of this fault propagation fold, we have conducted a series of 3D geometrical models directly from the paleogeographic model. The aim of 3D forward modeling is to revert to the current state of deformation of the model. We were able to better appreciate the chronology of events that have affected the fold and evaluate to what extent the early faults have influenced the kinematics of the San Corneli fold. In this sense, we were able to show that the orientation of pre-existing faults with respect to the regional compressive stress influences the way in which these faults will be reactivated, either in a vertical (reverse) or horizontal sense (strike-slip).

Les modèles 3D sont de plus en plus utilisés dans des domaines aussi variés que les divertissements, les jeux vidéo ou les applications à caractère professionnels comme l'architecture ou l'ingénierie. Ils servent tout aussi bien à la visualisation, comme supports de présentation ou comme outils d'analyse. Dans le domaine particulier des sciences de la Terre, les modèles géologiques tridimensionnels sont également largement exploités tant pour l'analyse que pour la visualisation des structures géologiques du sous-sol. Cependant, le processus de modélisation géologique 3D, de l'analyse des données à la construction du modèle 3D, est complexe et peut être long, cela peut nécessiter plusieurs heures à plusieurs jours. Il requiert une excellente expertise en géologie et la connaissance de logiciels hautement spécialisés. Par ailleurs, l'exploitation des modèles géologiques développés selon les processus conventionnels peut s'avérer délicate car ils n'ont pas toujours été construits spécifiquement pour les besoins des applications. Cette thèse présente une utilisation spécifique des systèmes experts pour assister les concepteurs de modèles géologiques 3D. De précédents travaux ont montré que les systèmes experts peuvent prendre en charge les étapes de la construction 3D stricto-sensu. La procédure proposée montre qu'un système expert peut analyser différentes sources de données, en particulier les coupes géologiques, afin d'en extraire les informations nécessaires à l'élaboration du schéma de construction du modèle 3D. Le système expert est ainsi en mesure d'intervenir à tous les niveaux de la modélisation : analyse des données, préparation de la construction 3D et construction 3D. L'emploi d'un système expert tout au long des étapes de modélisation 3D constitue le premier aspect novateur de cette thèse. Cette procédure de modélisation s'appuie sur de nouveaux concepts de contextes de modélisation, contextes géologiques et contextes applicatifs nécessaires à l'acquisition des connaissances nécessaires au système expert. Le contexte de modélisation offre des informations générales tandis que les contextes géologiques fournissent des informations sur les objets et propriétés géologiques susceptibles d'être rencontrés dans la zone d'étude. Enfin, l'identification du contexte applicatif dans lequel sera exploité le modèle géologique dès le début du projet permet de faciliter l'exploitation du modèle géologique pour son application ultérieure. La définition et l'utilisation des contextes représentent la seconde contribution de cette thèse. L'emploi conjugué d'un système expert et des contextes facilitent l'interaction entre les modèles géologiques et les applications qui les exploitent en fournissant une solution intégrée prenant en compte les contraintes et les besoins de la géologie et des applications utilisatrices. Cette intégration constitue la troisième contribution de cette thèse. La mise au point d'un prototype a permis de tester la procédure développée dans cette thèse. Ce prototype est constitué d'une soixantaine de règles, de quinze contextes géologiques relatifs aux structures d'origine glaciaire et de six contextes applicatifs liés à la modélisation hydrogéologique. Il permet, en une vingtaine de minutes, d'analyser et d'exploiter certaines sources de données et d'informations, en particulier les coupes géologiques, et de construire un modèle 3D de qualité comparable à un modèle construit manuellement par les experts. Grâce à l'aide de la Commission Géologique du Canada à Québec, nous avons pu mettre en oeuvre et expérimenter ce prototype sur le site de l'esker saint-Mathieu-Berry, Abitibi (Québec). L'analyse critique de cette expérience et des résultats obtenus ont permis d'établir plusieurs axes de recherche pour de futurs travaux.

Titre de l'écran-titre (visionné le 20 novembre 2023) / Dans des conditions de faible contrainte, l'absence de confinement peut causer des chutes de blocs, un type d'instabilité critique des excavations souterraines. Il est essentiel de considérer à la fois le réseau de fractures du massif rocheux et la géométrie de l'ouverture dans les analyses de stabilité. Toutefois, les outils actuels d'analyse de stabilité des instabilités structurales se limitent à des représentations simplifiées de la géométrie des excavations et ne prennent pas en compte les caractéristiques géométriques détaillées ni la distribution spatiale des discontinuités. De ce fait, ces outils ne sont donc pas intégrés aux processus de conception des excavations minières. Ce mémoire développe une approche numérique améliorée pour l'évaluation des aléas de chutes de blocs tétraédriques formés à la surface des ouvertures minières souterraines. Elle considère la complexité du régime structural en implémentant la modélisation de fractures, mieux connu sous le nom de Discrete Fracture Network (DFN). L'approche développée utilise comme intrant une surface triangulée détaillée de l'excavation souterraine avec des dimensions et inclinaisons variables. Elle permet d'intégrer les résultats de l'analyse aux outils de conception assisté par ordinateur (CAO) minière utilisés dans l'industrie. Une analyse détaillée a montré que la simplification excessive de la géométrie de l'excavation peut entraîner une évaluation inadéquate de la formation des blocs rocheux. Une analyse plus approfondie a également permis d'identifier des blocs allongés non critiques pour la stabilité et des blocs potentiellement instables partiellement formés due à un pont rocheux intact à l'apex. La méthodologie développée a été appliquée avec succès à un cas d'étude de chute de bloc au toit d'une excavation minière souterraine de géométrie complexe en contexte minier en opération. / Geological discontinuities have a large impact on the rock mass behavior in underground excavations. Under low-stress conditions, structurally controlled wedge failure is one of the most critical types of rock instability. The stability analysis must integrate both the rock mass fracture network and the geometry of the opening. However, current wedge stability analysis tools do not typically examine the detailed geometrical characteristics of the rock discontinuities and are limited to simplified representations of excavation geometry, not allowing analysis of excavation surfaces with complex geometries. Consequently, these analysis tools are not integrated into the excavation design processes in the mining industry. This thesis reports on the development of a comprehensive and more rational numerical approach to assess wedge formation around underground mine openings. The approach considers the structural rock mass complexity using Discrete Fracture Network (DFN) modelling and the detailed 3D underground excavation profile obtained from surveying. The approach allows for integrating the analysis results into the Computer-Aided Design (CAD) mine design tools used in the industry. A detailed investigation of the 3D profile and shape of the excavation indicated that an oversimplification of the excavation geometry in the stability analysis can result in an inadequate assessment of wedge formation. Further analyses have allowed us to identify elongated wedges that may not be critical from a stability perspective and wedges that were not entirely formed in the DFN model but may still be critical for the stability of the excavation. The developed methodology was successfully applied to estimate wedges' formation around an underground mine excavation.