La visualisation du paysage urbain en 3 dimensions constitue un problème auquel la recherche informatique s’efforce d’apporter, depuis une quinzaine d’années, des solutions, certes de plus en plus performantes mais relativement parcellaires. Les technologies contribuant à l’émergence de nouveaux modes de représentation 3D progressent en effet rapidement, mais ces avancées sont issues de secteurs de recherche - SIG, télédétection, synthèse d’image - dont les objectifs diffèrent sensiblement des problèmes spécifiques de visualisation et de simulation des grands paysages. Par conséquent, si les questions algorithmiques fondamentales - structuration des données, fonctions de visualisation 3D ... - semblent aujourd’hui résolus pour les objectifs d’analyse et de représentation spatiales des données géographiques, il reste extrêmement difficile et laborieux d’appliquer ces acquis informatiques à la réalisation de simulations paysagères à des échelles d’espace et de temps où la visualisation du paysage en 3D permettrait d’étudier utilement les interactions spatiales entre phénomènes urbains et géomorphologiques au cours de l’histoire.

Le présent travail, conduit sous la direction de Pierre Gentelle au Laboratoire Archéologie Asie Centrale, se propose d’explorer des méthodologies de simulation historique et de visualisation en 3D du paysage urbain de la région de Samarcande. Ce projet expérimental repose sur la constitution d’une base de données tri-dimensionnelle qui intègre les composantes géomorphologiques, urbaines et hydrographiques du paysage. Les travaux de recherche en géographie urbaine et archéologie menés au laboratoire "Archéologie de l’Asie Centrale" ont permis de mieux mesurer la complexité des problèmes d’organisation hydraulique du bassin du Zeravchan, problèmes auxquels les archéologues de Samarcande se sont toujours heurtés et qui sont déterminants pour la compréhension de l’histoire des transformations urbaines que la ville a subi au cours de sa longue histoire.

Si l’intégration d’images satellites dans ce modèle de représentation vectorielle du paysage est un aboutissement souhaitable du présent projet, ce travail ne constitue pas à proprement parler une utilisation directe des technologies de télédétection mais plutôt une méthodologie de constitution d’une base de données 3D capable d’accueillir les résultats d’un travail de télédétection. Le travail de constitution de la base de données a démarré en décembre 95 et est donc en cours de saisie. Ce résumé étendu n’a donc pas vocation à présenter les résultats de ce travail, mais plutôt d’en expliciter les objectifs et la méthodologie, et d’illustrer le propos par la visualisation de la base de données dans son état d’avancement actuel. Il est organisé en 3 parties :

- Données utilisées et objectifs de visualisation

- Méthodologie informatique et étapes du travail

- Travaux de recherche dans lesquels s’inscrit ce projet

# Données hydrographiques et urbaines dans la région de Samarcande

Les transformations urbaines, anciennes et récentes, de Samarcande montrent l’histoire paysagère d’une ville soumise, par sa position géographique, à de nombreuses influences successives : ville-étape sur l’antique Route de la Soie, occupée par les conquérents perses, grecs puis arabes, capitale de l’empire de Tamerlan, dernier héritier de Gengis Khan, ville russe des tsars et enfin ville soviétique. Parmi les données géographiques qui aident à comprendre et reconstruire l’histoire de ces multiples transformations, la question hydrographique occupe une place centrale. Sans reprendre les résultats des recherches menées à Samarcande - voir le rapport de fouilles de la mission archéologique franco-ouzbèke 1989-1994 et en particulier le chapitre 1 de Pierre Gentelle intitulé "Ecologie du site et alimentation en eau", on soulignera ici quelques unes des questions archéologiques liées à la situation générale de Samarcande et au problème de son alimentation en eau, questions dont l’étude pourra être facilitée par la visualisation et la simulation 3D.

Les conditions topographiques de l’implantation de Samarcande expliquent l’absence d’alimentation naturelle en eau de la ville à toutes les époques, malgré la présence d’un fleuve important, le Zeravachan, coulant à 4 kilomètres du centre mais 60 mètres en contre-bas. Pour ces raisons, le bassin du Zeravchan présente un système d’approvisionnement et d’irrigation par des centaines de canaux, dont le principal, le Dargom, prend les eaux du Zeravchan à 42 km en amont de la ville. Les questions de l’organisation hydraulique et de la circulation de l’eau sur les quelques 220 hectares de territoire urbain, qui sont depuis le XIXème siècle l’objet de recherches et de conjectures, nécessitaient une observation géographique d’ensemble des problèmes posés par les données archéologiques. En particulier, l’étude des premiers vestiges de la ville a mis en évidence la nécessité de traiter dans le cadre d’un même ensemble la ville antique, l’oasis qui l’entourait et les cultures irriguées de la vallée du Zeravchan. C’est en effet parce qu’aucun système de canaux n’a remplacé l’ensemble des canalisations détruites lors de la prise de la ville par les troupes de Gengis Khan en 1220 que l’espace urbain fortifié d’Afrasiab, délimité par les murailles antiques et occupé pendant 18 siècles, est demeuré depuis vide de constructions nouvelles. Par ailleurs, c’est par des hypothèses de reconstitution de l’écoulement naturel des eaux que l’on comprendra plus facilement l’histoire des systèmes de canaux, à l’intérieur et à la périphérie de la ville et, par conséquent que l’on pourra dater la construction des ensembles bâtis par association avec les vestiges d’habitations.

Les données disponibles pour la constitution d’une base de données géographique sont les suivantes : - cartes régionales russes au 1/200.000e

- cartes topographiques russes au 1/10.000e

- cartes historiques d’urbanisme du XIXème siècle

- photographies aériennes acquises en 1994 au 1/13.000e

- photointerprêtation par M. Meyer de l’IGN

- télédétection d’une image satellite Spot par M. Letourneau de l’ENS

Avec ces contextes topographique et hydrographique sur lesquels s’est construite l’histoire urbaine de Samarcande, il nous est apparu essentiel de constituer une base de données qui puisse répondre aux objectifs de visualisation suivants :

- la capacité à restituer le paysage à des échelles géographiques et urbaines habituellement représentées par des moyens informatiques et graphiques distincts ; celà implique la saisie en 3D des éléments les plus caractéristiques de ce paysage dans le cadre de ce travail de recherche : la topographie, le réseau hydrographique (rivière et canaux) et le bâti.

- la capacité d’intégrer des échelles de temps variables afin de pouvoir restituer et simuler à terme les évolutions historiques du paysage urbain ;

- enfin la capacité de manipuler ces couches d’information dynamiquement pour permettre une utilisation modulaire des possibilités de visualisation de la base de données, de manière interactive et sur support numérique en particulier.

# Méthodologie informatique et étapes du travail

## Objectifs et choix d’une méthode informatique

Le travail de constitution d’une base de données destinée à la visualisation 3D, plutôt qu’à l’analyse spatiale, nous a conduit à l’utilisation d’outils de modélisation vectorielle en 3D et de synthèse d’image dans lesquels pourront s’intégrer, avec les techniques de traitement d’images, les images satellitaires traitées par M. Letourneau. Cette méthode privilégie l’emploi des fonctions de logiciels issus de la CAO et de la synthèse d’images, ainsi que la communication entre les différents outils utilisés tout au long de la chaîne de traitement. Il s’agit donc d’un travail de recherche appliquée, dont la méthodologie s’apparente à celle choisie par l’IAURIF dans son projet Imago Metropolis sur les modèles de représentation et les outils de visualisation des grands paysages (voir bibliographie).

## Eléments constitutifs de la base de données 3D et étapes de travail

### Echelle géographique

L’ensemble du bassin du Zeravchan autour de Samarcande (zone de 110 km par 70 km) est saisi vectoriellement à partir des cartes topographiques russes disponibles. Le maillage du MNT est réalisé selon un pas sélectivement choisi en fonction des caractéristiques géomorphologiques et de l’intérêt que représentent les différentes régions pour la recherche. Les principaux cours d’eau du réseau hydrographique et les canaux d’irrigation et d’alimentation sont également saisis en 3D. Le facteur d’exagération de l’échelle altimétrique est de 4 afin de parvenir à une représentation significative des massifs montagneux situés en bordure de la zone et relativement éloignés du centre-ville.

### Echelle topographique et urbaine

La région de Samarcande sera saisie à une échelle plus fine, en prenant en compte les courbes de niveaux avec un pas variant de 1 à 10 mètres (contre 50 à 100 mètres à l’échelle de l’ensemble de la région). Les emplacements successifs de la ville seront représentés en 3D avec une modélisation du bâti, des murailles et des principales caractéristiques du paysage urbain (voies de communication, modes d’occupation des sols, accidents naturels et anthropiques, etc...). Cette échelle de représentation s’attachera à mettre en évidence les traits principaux d’organisation spatiale et les rapports entre topographie, hydrographie (alimentation et écoulements des eaux) et urbanisme, ainsi que les évolutions historiques significatives dans ces différents niveaux d’information.

### Echelle architecturale et urbaine

Le site antique d’Afrasiab-Marcanda et les champs de fouilles archéologiques pourront enfin faire l’objet d’une modélisation à plus grande échelle afin de visualiser les hypothèses de restitution de l’organisation hydraulique (canaux, bassins) et éventuellement, si les résultats de recherche archéologiques le permettent, les hypothèses de restitution du paysage urbain de la citadelle antique.

## Mise en scène des données et production de documents de visualisation

Des rendus peuvent être calculés à partir d’un choix d’échelle et de points de vue 3D comportant une sélection des couches d’information de la base de données. Ces modèles vectoriels pourront ensuite être "mappés", à l’aide d’un logiciel de synthèse d’image, d’une couche raster provenant soit de l’image satellite Spot, soit de photographies aériennes dont l’expression chromatique et les textures résulteront du choix et des objectifs des chercheurs qui en effectuent le traitement. Cette étape pourra en outre comporter un traitement en synthèse d’image portant sur les éléments du paysage non représentés dans le modèle vectoriel de la base de données, comme la végétation et certaines textures topographiques et urbaines (figure 1).

<figure><img src="image_1.png" /></figure>

## Exploitation des données : intégration des données dans un scénario interactif pour la simulation et la diffusion sur support multimédia

<figure><img src="image_2.png" /></figure>

Figure 2 : principes d’architecture multimédia des données

La figure 2 illustre les principes d’architecture multimédia des données suivis au cours de ce travail. Depuis l’acquisition et le traitement des données 2D et 3D, en passant par la constitution des bases de données, celles-ci peuvent ensuite être intégrées de manière modulaire pour produire des documents de travail et enfin être mises en scène dans un scénario de consultation destiné à la diffusion sur support numérique de type CD-ROM. Cette étape ultime du travail ne pourra bien sûr être abordée que lorsque la constitution de la base de données et la production de documents de visualisation auront atteint un degré de maturité satisfaisant pour les chercheurs des différentes disciplines concernées. Des scénarios de simulation pourront alors être créés et produits grâce à un logiciel auteur multimédia, et pourront offrir une manipulation interactive de visualisations du paysage par époque, échelle, point de vue 3D, couche thématique représentée (géomorphologie, hydrographie, bâti...). Une "navigation multimédia" devra alors suivre un fil conducteur dont le scénario devra être écrit par une équipe pluri-disciplinaire. Le fil conducteur de la navigation pourrait, par exemple, être articulé autour du récit des principaux événements historiques qui ont marqué le destin de Samarcande. Pour chaque époque, une hypothèse de restitution du paysage urbain est proposée, fondée sur l’état des recherches archéologiques et sur l’analyse des faits historiques marquants. Les choix du point de vue et de l’échelle permettent de visualiser, selon un angle pertinent, les interactions historiques et spatiales. L’interactivité et la dynamique de ce mode de navigation mettent en évidence la nature pluridisciplinaire du travail archéologique et les hypothèses de liens entre événements historiques, phénomènes géographiques et urbanisme.

# Travaux de recherche dans lesquels ce projet s’inscrit

Ce projet s’inscrit dans un travail de recherche mené par l’auteur depuis 3 ans dans le domaine des représentations numériques en géographie. Il a démarré par un projet de recherche de DEA mené à l’Université Joseph Fourier de Grenoble (conception d’un prototype d’application multimédia sur l’Espace International du Mont-Blanc) et se poursuit à l’EHESS dans le cadre d’une thèse sur les représentations virtuelles du paysage. Au cours de ces différents travaux, l’auteur aborde en particulier les questions de la visualisation 3D, d’iconographie et de sémiologie liées aux nouvelles représentations virtuelles de l’espace, ainsi que des thèmes plus généraux d’architecture multimédia des données géographiques, d’écriture interactive et de diffusion de l’information scientifique sur support numérique.

La présente communication sur Samarcande n’a pour objet que de présenter les objectifs et hypothèses d’un travail en cours. Il est donc trop tôt pour en tirer des enseignements définitifs, mais nous en attendons une validation ou des critiques de la méthodologie choisie.