Les réseaux souterrains d'utilité publique (UUN pour Underground Utility Network) tels que les conduites d'eau, d'aqueduc et égouts ou encore les câbles de communication constituent l'ossature de base d'un système urbain qui doit inclure le souterrain. Lorsqu'on examine ces réseaux souterrains, on constate une énorme quantité d'installations dans le sous-sol qui sont souvent représentées sur des cartes par des géométriques simples et approximatives (quelques lignes 2D placées approximativement proche des rues et bâtiments) avec très peu de données descriptives comme la date d'installation, et quelques données techniques sur les débits, ce qui en bout de ligne complexifie le travail des personnes appelées à effectuer leur entretien ou encore leur gestion quotidienne. Force est de constater que les représentations géographiques les plus communes pour représenter les réseaux souterrains sont encore de nos jours une carte, donc 2D. Il appert évident que les villes, qu'elles soient grandes ou petites, auraient avantage à posséder des représentations géographiques plus élaborées, plus complètes, possiblement 3D, pour soutenir leurs opérations de gestion des infrastructures souterraines. C'est dans ce contexte d'exploration de la troisième dimension à des fins de représentations géographiques des réseaux souterrains que se place cette thèse de doctorat. Tout comme elle est maintenant reconnue pour la modélisation 3D des bâtiments, nous partons de la prémisse que la modélisation 3D des réseaux souterrains est indispensable pour soutenir les processus « géo » décisionnels liés au cycle de planification, de construction et de maintenance des réseaux souterrains d'utilité publique. La revue de littérature qui suivra va montrer que le contenu attendu des modèles 3D souterrains des réseaux publiques reste encore trè s aléatoire. Quelques expérimentations de modèles 3D ont été réalisées mais il n'existe pas de réel consensus à savoir « quoi » et « comment » représenter la diversité d'éléments constituant les réseaux souterrains d'utilité publique. Nous allons nous inspirer de ce qui est fait pour les modèles 3D de bâtiments en termes de standardisation des modèles de données et de hiérarchie des niveaux de détails (LoD) pour effectuer une proposition originale d'une approche multi-dimensionnelle de modélisation géométrique des réseaux souterrains d'utilité publique. En particulier, nous allons nous intéresser à la modélisation 3D. Ainsi, la thèse va répondre aux questions de recherche suivantes : **1)** Comment organiser et décrire le contenu des modèles UUN? **2)** Est-il possible d'avoir une hiérarchie pour organiser le contenu des modèles UUN, représentés par LoD comme pour les modèles 3D de bâtiments ? Et quelles sont les hiérarchies des éléments constituant les modèles UUN ? **3)** Quelle pourrait être l'utilité de cette hiérarchie UUN LoD compte tenu de différentes tâches visuelles liées à l'utilisation des modèles UUN ? L'objectif général de cette recherche est donc de **définir une hiérarchie de niveau de détail (LoD) de modélisation des réseaux souterrains** qui supportera différentes tâches liées à la visualisation des données nécessaire pour la gestion et la maintenance efficace du réseau. Deux objectifs supplémentaires sont proposés : **1)** Tester l'applicabilité de la hiérarchie de LoD UUN au réseau de canalisations d'approvisionnement en eau comme cas d'utilisation pour la mise en œuvre et la validation. **2)** Explorer l'utilité de la hiérarchie de LoD UUN pour effectuer certaines tâches de manipulation de données en étudiant la relation potentielle entre la catégorie de tâches et les différents LoD UUN. La principale contribution de cette thèse est de proposer une manière formalisée de décrire, gérer et appliquer les modèles UUN à partir de différentes sources de données, sous différentes formes de représentation, avec différents détails et dans différentes qualités de données. Nous avons identifié cinq variables clés pour décrire le contenu du modèle UUN 3D : géométrie, topologie, sémantique, données contextuelles et qualité des données géométriques. En combinant les variables clés identifiées et les caractéristiques de l'UUN LoD, un système de numérotation spécifique a été proposé pour établir une hiérarchie UUN LoD. 30 niveaux possibles de LoD 2 à LoD 500.5 distinguant quatre niveaux principaux, deux sous-niveaux et trois niveaux de qualité ont été conçus. Après cela, une application pratique impliquant la gestion et la maintenance des conduites d'eau est proposée pour valider la faisabilité de la mise en œuvre de la hiérarchie LoD pour la modélisation UUN. Nous avons mis en évidence que ces LoDs respectent une certaine cohérence visuelle d'un niveau à un autre. Par la suite, nous avons montré qu'il existe une corrélation entre les différents LoD et la complexité des tâches visuelles à réaliser. Un nouveau concept est proposé pour décrire cette relation, celui de « niveau de complexité » . Nous avons proposé une méthode de décomposition des tâches pour estimer ce niveau de complexité pour catégoriser la tâche et utiliser la notion de LoD minimale requise pour aider à déterminer le contenu du modèle UUN. Nous estimons notre proposition originale car la littérature ne proposait rien dans ce sujet et qu'elle permettra de faire avancer les travaux de modélisation des réseaux souterrains d'utilité publique, et peut-être même d'autres catégories d'objets de la réalité . De même, nous pensons que notre proposition ouvre la porte à l'élaboration de possible standard et ainsi à améliorer le partage entre utilisateur de modèles UUN. / Underground utility networks (UUN) such as water mains, sewers and communication cables form the backbone of an urban system that must include the underground. When we look at these underground networks, we see an enormous quantity of underground installations that are often represented on maps by simple and approximate geometries (a few 2D lines placed roughly close to streets and buildings) with very little descriptive data, such as the date of installation, and a few technical data on flow rates, which ultimately complicates the work of those called upon to carry out their maintenance or even their day-to-day management. It has to be said that, even today, the most common geographical representations of underground networks are still 2D maps. It is clear that cities, whether large or small, would benefit from more elaborate, more complete, possibly 3D, geographical representations to support their underground infrastructure management operations. It is in this context of exploring the 3rd dimension for geographical representations of underground networks that this doctoral thesis is set. In the same way that 3D modeling of buildings has come to be recognized, we start from the premise that 3D modeling of underground networks is nowadays indispensable to support "geo"-decision-making processes linked to the planning, construction and maintenance cycle of underground utility networks. The literature review will show that the expected content of underground 3D models of public utility networks is still highly uncertain. A few 3D model experiments have been carried out, but there is no real consensus on "what" and "how" to represent the diversity of elements making up underground utility networks. Inspired by what is being done for 3D building models in terms of standardization of data models and hierarchy of levels of detail (LoD), we will make an original proposal for a multi-dimensional approach to geographic modeling of underground utility networks. In particular, we are going to take a look at 3D modeling. Thus, the thesis will answer the following research questions: **1)** How to organize and describe the content of UUN models? **2)** Is it possible to have a hierarchy to organize the content of UUN models, represented by LoD as for 3D building models? And what are the hierarchies of the elements making up UUN models? **3)** How useful could this UUN LoD hierarchy be, given the different visual tasks involved in using UUN models? The general objective of this research is therefore to **define a level-of-detail (LoD) hierarchy for modeling underground networks** that will support various data visualization tasks required for efficient network management and maintenance. Two additional objectives are proposed: **1)** To test the applicability of the UUN LoD hierarchy to the water supply pipeline network as a use case for implementation and validation. **2)** To explore the usefulness of the LoD UUN hierarchy for performing certain data manipulation tasks by investigating the potential relationship between the task category and the various LoD UUNs. The main contribution of this thesis is to propose a formalized way of describing, managing and applying UUN models from different data sources, in different representation forms, with different details and in different data qualities. We have identified five key variables to describe the content of the 3D UUN model: geometry, topology, semantics, contextual data and geometric data quality. By combining the key variables identified and the UUN LoD characteristics, a specific numbering system was proposed to establish a UUN LoD hierarchy. 30 possible levels from LoD 2 to LoD 500.5 distinguishing four main levels, two sublevels and three quality levels were designed. Following this, a practical application involving the management and maintenance of water pipes is proposed to validate the feasibility of implementing the LoD hierarchy for UUN modeling. We have demonstrated that these LoDs respect a certain visual consistency from one level to the next. Subsequently, we have shown that there is a correlation between the different LoDs and the complexity of the visual tasks to be performed. A new concept is proposed to describe this relationship, that is "level of complexity". We proposed a task decomposition method for estimating this level of complexity in order to categorize the task and use the notion of minimum LoD required to help determine UUN model content. We consider our proposal to be original since the literature was silent on the subject, and it will help to advance work on modeling underground utility networks, and perhaps even other categories of real-world objects. Similarly, we believe that our proposal opens the door to the development of possible standards, and thus to improved sharing between users of UUN models.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/148764 |
| Date | 29 August 2024 |
| Creators | Chen, Zihan |
| Contributors | Pouliot, Jacynthe, Hubert, Frédéric |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xiv, 185 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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