Article & Conférence – Reconstruction numérique des fortifications bastionnées sur les plans-reliefs

Il s’agit d’un article scientifique intitulé « Knowledge-Based Framework for Automatic Semantisation and Reconstruction of Military Architecture on City-Scale Models », que l’on pourrait traduire par : « Une méthodologie basée sur les connaissances pour la sémantisation et reconstruction automatique d’ouvrages d’architecture militaire sur des maquettes de villes »
Il a été coécrit avec K. Jacquot et T. Messaoudi et présenté lors de la conférence 3DARCH’19 tenue à Bergame en février 2019. Cette étude s’intègre dans le projet ANR-URBANIA articulé autour de la maquette historique de Strasbourg, un bel élément de la collection des plans-reliefs. L’objectif de cet ANR est la valorisation et la diffusion de ce patrimoine par la création de modèles virtuels.

Echelle 1:1

Le système de fortification bastionnée,
rationalisation de la défense d’une ville et d’un territoire

Avant de passer au 1:600, quelques mots sur le XVIIe siècle à l’échelle réelle.
À cette époque, la fortification de style médiéval est progressivement rendue obsolète par l’utilisation de plus en plus commune de batteries d’artillerie dans les conflits.
Par conséquent, un grand effort de rationalisation des structures de défense d’une ville est déployé en Europe. L’approche se fait selon des règles géométriques strictes et une approche systématique. Au point ou l’art de fortifier devient quasiment une sous-discipline de la géométrie.
Il s’agit surtout d’une histoire italo-française de théories et de leurs applications qui ont façonné les frontières de ces territoires, remontant jusqu’aux Provinces-Unies et aux terres du Saint-Empire. Modelant les paysages et le dessin des plans d’urbanisme qu’ils soient réels ou idéalisés.

L’un des personnages les plus fameux dans le déploiement de tels systèmes de fortification dans le Royaume de France fut Sébastien Le Prestre de Vauban, maréchal de France lors du règne de Louis XIV. Par une ribambelle de citadelles et places fortes, il aménage la défense du territoire à toutes les échelles : du pays à l’ouvrage d’architecture militaire, en passant par le dessin de stratégies régionales.

La collection des plans-reliefs

Intérieur du Musée des Plans-Reliefs et de sa réserve

Afin de planifier et de documenter ces interventions, une collection de 260 maquettes de villes à l’échelle 1:600 a été réalisée pour compléter la cartographie traditionnelle.
Ces maquettes de villes composent la collection des plans-reliefs, ils sont les témoins singuliers de la formation du territoire français du XVI au XVIIIe siècle.
Certaines de ces pièces sont exposées au Musée des Plans-reliefs à Paris, d’autres sont en réserve à Lille ou disséminés dans les villes qu’ils représentent.

Numérisation et enjeux de la numérisation

Numériser une maquette c’est transformer cet objet analogique en une suite de valeurs numériques apte à être traitée informatiquement, soit un modèle virtuel. En pratique, cela consiste à en faire le relevé architectural à l’aide de techniques comme la photogrammétrie ou la lasergrammétrie pour produire un nuage de point de l’objet. Alors que les méthodes de relevé classiques prennent en compte les points singuliers de l’ouvrage pour le restituer, le nuage de points est objectif et non hiérarchique. Tout est relevé : le nécessaire et le superflu. Surtout le superflu. Ce qui en fait une donnée aussi complète que complexe à manipuler.

En laissant deviner les formes de l’objet qu’il représente, le nuage donne une première visualisation. Une fois traité, il peut devenir un modèle texturé, enrichi d’annotations (le nom des éléments, l’état de conservation, des liens vers d’autres documents et éléments semblables). Un prototype virtuel que l’on peut visualiser sous toutes ses coutures nonobstant la fragilité de la chose. L’on peut réunir les travaux de divers experts ou y appliquer des analyses non destructrices comme l’utilisation de filtres pour mettre en évidence des singularités : microgriffures érodées par le temps, couches de peinture, entailles… Autant de traces qui peuvent s’avérer précieuses pour retrouver une histoire, des us anciens qui donnent de nouvelles clefs pour entreprendre notre présent. Raconter des lieux, ce qu’ils ont été ou ce qu’ils ont inspiré à nos prédécesseurs.

Dans le cas des plans-reliefs, placer ces maquettes dans un espace virtuel permet de réunir la collection en un seul lieu. Une tâche dont la mise en oeuvre peut sembler complexe au vu des dimensions de l’ensemble qui excède les 2000m², plus que la surface de deux piscines olympiques réunies.

En somme, ce modèle numérique permet d’apposer un regard autre, différent de celui attaché à l’artefact. Cela ne le prive pas de l’attention des restaurateurs et conservateurs, comme si sa simulation pouvait concurrencer la réalité de l’artefact. C’est surtout un simulacre bien pratique.

Remodéliser en lisant les traités

Knowledge-based Framework
Une méthodologie basée sur les connaissances à priori de la fortification bastionnée

Au vu de la quantité de données à traiter et de l’inscription aux Monuments historiques de cette collection, plusieurs travaux ont été menés ces dix dernières années sur ce patrimoine devenu cas d’étude. Au cours de ces derniers mois de travail, nous avons développé et expérimenté une procédure automatique pour identifier puis reconstruire automatiquement les ouvrages d’architecture militaire depuis la numérisation de ce patrimoine, fragile et encombrant, en un nuage de points.
Ces travaux se placent en continuité de la méthode développée par K. Jacquot lors de son travail de thèse « Numérisation et restitution virtuelle des maquettes de la collection de Louis XIV, le cas des fortifications bastionnées ». Nous approfondissons l’une de ses hypothèses de travail, celle de mobiliser les connaissances consignée dans les traités de l’époque pour produire une modélisation automatisée et fidèle.
Sous cet angle d’approche, l’on mêle des travaux de structuration de la connaissance, de rétroconception, d’analyse historiques et de morphologie, de traitement de données géométriques, un brin de vision par ordinateur, deux d’architecture paramétrique (bien loin de la génération de formes à laquelle elle est souvent rattachée). À chaque étape de ce travail de recherche sont mobilisées les connaissances de l’architecte et de l’ingénieur, la vigilance et l’objectivité que leurs travaux peuvent impliquer.

Technique

Les détails techniques de cette méthodologie sont consignés dans l’article (lien en bas de page) qui est structuré autour de quatre grandes parties, correspondant aux quatre tâches identifiées. Nous parlons successivement de structuration de connaissances en une ontologie, de la segmentation d’un nuage de points, d’identification d’éléments architecturaux depuis leur géométrie et leur morphologie, de reconstruction paramétrique.

Perspectives

Demi-Lune et Glacis,
Ouvrages de fortification

Alors que la segmentation géométrique et structuration des connaissances sont des procédés reconnus comme robustes et couramment utilisés, la méthode d’identification en est encore à la preuve de concept. Notre proposition consiste à confirmer l’identification d’un élément architectural selon ses propriétés géométriques en vérifiant sa cohérence au sein du système de fortification auquel il prend part. Cela via l’utilisation de l’algorithme de propagation des convictions (belief propagation), offrant des résultats prometteurs qui demanderaient à être validés sur l’ensemble de la collection des plans-reliefs, ou bien à être appliqués sur le relevé d’un ouvrage architectural conçu comme un système de formes (e.g – issus du classicisme, de la renaissance, etc..).
La reconstruction paramétrique augmentée de la déformation du modèle 3D est un processus rapide et d’une précision satisfaisante. Il pourrait trouver une application lors du traitement des nuages de points dévolus à l’analyse du comportement mécanique d’une structure, par la méthode des éléments finis par exemple.

Article complet : https://www.researchgate.net/publication/330771864_Knowledge-Based_Framework_for_Automatic_Semantisation_and_Reconstruction_of_Military_Architecture_on_City-Scale_Models