# Représentation de l'évolution urbaine à travers une maquette tangible de territoires

C Le Bihan Gautier, J Delanoy, G Gesquière

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C Le Bihan Gautier, J Delanoy, G Gesquière. Représentation de l'évolution urbaine à travers une maquette tangible de territoires. Les journées Françaises de l'Informatique Graphique, AFIG, Oct 2024, Strasbourg, France. hal-04924304

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Submitted on 31 Jan 2025

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# Représentation de l'évolution urbaine à travers une maquette tangible de territoires

C. Le Bihan Gautier¹, J. Delanoy² et G. Gesquière³

¹Université Lumière Lyon 2, CNRS, INSA Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, LIRIS, UMR5205, Villeurbanne, France

## Abstract

Les représentations numériques de territoires sont essentielles dans la compréhension de nos villes et de leur évolution. La navigation en 3D à travers les données urbaines multi-dimensionnelles permet de visualiser tous les aspects qui composent l'environnement urbain. Cependant, ces outils restent des expériences individuelles et l'utilisateur risque de manquer certaines informations derrière son écran. Une approche plus collective comblerait cette perte d'information et permettrait de rassembler différentes disciplines autour des données urbaines. La maquette physique augmentée par le numérique est une réponse à ce besoin. Elle favorise les échanges et la médiation permettant aux utilisateurs d'interagir collectivement avec la représentation urbaine. Dans cet article, nous proposons d'utiliser une maquette augmentée pour la visualisation et l'analyse de l'évolution urbaine. Nous lions la représentation physique avec la représentation 3D numériques de l'évolution à travers la projection des changements morphologiques. Afin de contextualiser ces changements, nous intégrons un module multimédia projetant des documents pertinents juxtaposés à la maquette. Cette approche offre une compréhension plus complète et interactive de l'évolution urbaine.

## 1. Introduction

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Avec l'émergence des données urbaines, de plus en plus d'outils numériques de représentation d'un territoire apparaissent. Ils permettent de visualiser la ville, en 3D ou en 2D, avec tous ses composantes (réseaux de transports en commun, zones végétalisées, fonction des bâtiments, etc.). Ce type de visualisation peut servir d'outil de médiation pour discuter autour de l'évolution d'un territoire. Cependant, l'expérience est principalement individuelle, avec une personne derrière un écran et ne permet pas facilement de regrouper plusieurs personnes autour d'un projet. Les maquettes physiques de villes, quant à elle, sont des outils de médiation plus collectifs, elles facilitent les échanges autour d'un même objet urbain. Toutefois, elles fixent la représentation à une date donnée rendant ainsi difficile la visualisation de l'évolution morphologique de la ville. Nous proposons de coupler une représentation 3D de l'évolution urbaine avec la maquette physique afin de créer un dispositif collaboratif complet pour la compréhension de l'évolution d'un territoire.

Notre première contribution s'appuie sur une collaboration que nous avons fait avec le MIT sur le projet ReAgent (https://cordis.europa.eu/project/id/101028036). Ce projet proposait un support pour poser une maquette physique ainsi qu'une projection dynamique de multi-agent. Dans ce papier, nous utilisons un support similaire pour la maquette en utilisant la projection et un écran pour contextualiser la maquette et nous proposons une approche pour la conception de maquette physique d'un

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territoire à partir de données 3D géospatiales (décrit en section 3). Ce dispositif a été mis au point à travers des ateliers de médiation permettant de voir la maquette augmentée en action (voir Section 5). Notre deuxième contribution consiste à utiliser le dispositif pour visualiser l'évolution urbaine d'un quartier. Nous nous basons sur nos précédents travaux de représentation de l'évolution en 3D à travers des timelines [GDG23]. Nous utilisons l'écran pour visualiser l'ensemble de l'évolution en 3D et projetons sur la maquette les changements morphologiques depuis la période de référence (voir la Section 4.1). La visualisation des changements ne suffit pas à comprendre cette évolution, nous avons donc contextualisé l'évolution à travers une projection de multimédia juxtaposé à la maquette (voir Section 4.2).

## 2. État de l'art

Pendant longtemps, les maquettes ont permis de décrire un territoire, elles sont des outils facilitant les échanges autour d'un territoire. De nos jours, on en retrouve beaucoup dans les musées, les maisons de projets, etc. Ces maquettes permettent de rendre compte de l'état d'une ville à une date fixe [ABG*22]. Les travaux de Luo et al. [LLC22] comparent une réplique numérique d'un parc à sa représentation physique en maquette. A travers une étude utilisateurs, ils en concluent que l'utilisation d'une maquette numérique est compliqué pour certains publics. Une approche intégrant numérique et physique permettrait de combler les limites de chaque représentation.
Les maquettes augmentées visent à combiner les avantages des représentations numériques et physiques, principalement en projetant des informations supplémentaires sur la maquette. Cette combinaison crée une interface utilisateur tangible qui facilite l'interaction avec les données numériques et leur manipulation dans l'espace réel [KK11, Sal14]. L'approche de Tang [Tan19] propose d'utiliser des Lego comme matériel pour la construction de la maquette tangible. Le Lego permet de rendre la maquette modulaire et offre plus d'interactivité avec le dispositif. Le MIT CityScope utilise également le Lego pour proposer un outil de conception de quartier [AZG*18]. Ils complètent cette maquette par une projection de donnée et un écran affichant des indicateurs de performances urbaines (densité, diversité, mobilité énergie par personne). Ils proposent une approche interactive dans la réflexion des quartiers de demain. Ces approches montrent que les maquettes augmentées sont des dispositifs qui facilitent l'interaction atour des données urbaines. Elles peuvent être utilisées lors d'ateliers interactifs où différent profils se retrouvent. Cet objet peut servir d'objet frontière pour combler le fossé entre les différentes compétences et les différents intérêts des participants [Bra07]. Toutefois ces approches ne proposent pas une visualisation de l'évolution d'un territoire. La maquette physique fige la représentation à une date spécifique et ne montre pas l'évolution morphologique.

Nikolakopoulou et al. [NPM*22] utilisent la maquette augmentée pour présenter l'héritage culturel d'un village en Grèce. Ils utilisent des projections dynamiques ainsi que des illustrations placées à côté du dispositif pour présenter des évènements historiques (par ex. une invasion de pirates) qu'a pu subir le village. Cependant, ils ne proposent pas une approche mettant en avant les différents types de changements morphologiques du village.

Nos précédents travaux [GDG23] proposent une approche numérique de visualisation de l'évolution d'un territoire en 3D. Elle met en avant les changements morphologiques de bâtiments à travers des timelines intégré dans un espace 3D. Nous lions cette visualisation avec le dispositif de maquette augmentée afin de proposer une approche collective dans la compréhension de l'évolution. Pour la conception de la maquette augmentée, nous nous sommes inspirés des dispositifs existant en élaborant une approche reproductible et transportable. Nous avons développé une méthode se basant sur des données open source pour générer automatiquement le plan Lego de la zone souhaitée.

## 3. Dispositif physique

Dans cette section nous décrivons le dispositif physique de maquette augmentée en présentant tout d'abord une vue globale du dispositif avant de décrire notre approche pour construire la maquette et l'utilisation de la projection. Nous avons pensé l'outil pour qu'il soit démontable et qu'il puisse être transporté dans une fourgonnette, rendant ainsi cet outil de médiation mobile.

### 3.1. Vue global du dispositif

Le support pour la maquette est composé d'une table sur laquelle nous posons la maquette. Cette table a pour dimension 1m de largeur, 2m de longueur et la hauteur peut être réglé en fonction du public. Nous avons fait le choix d'avoir une table à une hauteur de

<figure><img src="image_1.png" /><figcaption>**Figure 1:** Schéma du dispositif de maquette augmentée composé de sa maquette Lego et de la projection.</figcaption></figure>

0.60m pour qu'un public plus jeune puisse voir l'ensemble de la maquette.

Un mat métallique de hauteur 2.30m est fixé sur le côté de la table (voir Figure 1). Sur ce mat nous avons fixé un vidéoprojecteur orienté vers la maquette et un écran de 31.5 pouces à une hauteur de 1.30m. Le vidéoprojecteur nous permet de projeter des données complémentaires sur les Lego blancs. L'écran permet d'afficher la représentation 3D numérique de la ville ou des données en lien avec la maquette. Le vidéoprojecteur et l'écran sont reliés à un ordinateur portable qui fait le lien entre la projection sur la maquette physique et la maquette numérique 3D. Pour contrôler le dispositif (p. ex. changement de version), un pavé numérique sans fil est connecté à l'ordinateur. Le pavé sans fil permet à l'utilisateur de se déplacer librement autour de la maquette. Il peut également passer d'un utilisateur à un autre plus facilement.

### 3.2. Conception de la maquette physique

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>**Figure 2:** Deux examples de construction de maquette lego.</figcaption></figure>

La maquette de la ville est construite à partir de blocs de Lego blancs. La flexibilité du Lego permet de changer facilement de territoire ou d'échelle si cela ne correspond pas aux attentes. De plus,
son aspect ludique favorise l'implication des utilisateurs. En utilisant exclusivement du Lego blanc, nous facilitons aussi la projection d'informations sur la maquette. Pour construire la maquette physique nous nous sommes basés sur les données 3D géospatiales provenant de la métropole de Lyon et disponibles en open source. Les données géospatiales nous permettent une approche reproducible et d'être le plus fidèle possible par rapport à la réalité. Pour transformer un modèle 3D d'une ville en cubes de Lego nous avons développé un algorithme, que nous appelons "legonizer", se basant sur le principe de lancer de rayons. L'utilisateur sélectionne la zone souhaitée à transformer en Lego à travers une interface web (UDViz http://vcity.liris.city/udvizexamples/). Le "legonizer" lance des rayons à intervalles réguliers pour créer un quadrillage selon l'échelle choisir de la maquette. À la fin du processus, il produit une carte de hauteur discrétisée qui est ensuite convertie en fichier CSV servant ainsi de fiche de construction pour la maquette.

La figure 2 montre deux maquettes d'une échelle différentes générées par le "legonizer". L'image de gauche est la maquette d'une usine de métallurgie. Elle permet de détailler la fonction de chaque bâtiments qui compose l'usine. La deuxième photo est une maquette du quartier Part-Dieu (Lyon) et permet visualiser comment tout le quartier s'organise autour de la gare ferroviaire, avec une forme de bâtiments moins précise.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>**Figure 3:** Exemple de projection de calques sur la maquette lego de Gratte-ciel (Villeurbanne).</figcaption></figure>

La projection d'images sur la maquette blanche permet d'enrichir notre compréhension du territoire en ajoutant des informations urbaines complémentaires. Cela inclut des détails sur les fonctions des bâtiments, les zones végétalisées ou les lignes de transports en commun. Les utilisateurs peuvent naviguer entre les différents calques projetés à l'aide du pavé numérique. Ces calques peuvent être créés à partir de données urbaines 2D ou d'images et vidéos personnalisées.

Le calibrage de la projection sur la maquette est fait manuellement en redimmensionnant notre calque et en jouant avec les paramètres du vidéoprojecteur. Toutefois, nous travaillons actuellement sur l'automatisation du processus en utilisant les dimensions définies dans le legonizer pour les transposer aux dimensions de notre calque.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>**Figure 4:** Visualisation de l'ensemble de données sur les bâtiments avec la timeline en forme de cercle.</figcaption></figure>

## 4. L'évolution urbaine visualisé sur la maquette

La maquette physique est une version du territoire représentée figée à un instant *t*. Pour visualiser l'évolution de la ville nous sommes contraint par cette version figée et nous devons montrer d'évolution à partir de cette version. Nos précédents travaux [GDG23] permettent de visualiser en 3D l'ensemble des versions disponibles d'un jeu de donnée pour en comprendre l'évolution. Nous utiliserons cette approche pour projeter les types de changements sur la maquette et permettre à l'utilisateur de visualiser l'évolution globale en 3D (Section 4.1). Pour contextualiser ces changements nous avons développé une méthode qui lie le calque d'évolution à des multimédias (images, documents, vidéos) (Section 4.2).

### 4.1. Projection des changements morphologiques

Dans nos précédents travaux, nous avons représenté l'évolution de la ville à travers des timelines pour la visualiser dans sa globalité [GDG23] (un exemple est montré en Figure 4). Chaque version est une représentation de la ville à un instant *t* et est affichée sur la timeline avec une colorisation des bâtiments pour mettre en avant le type de changements [JSG20]: constructions (vert), destructions (rouge) et modifications (jaune).

Nous visualisons ces timelines sur l'écran placé au dessus de la maquette pour montrer à l'utilisateur l'ensemble des versions disponibles et l'évolution globale du territoire. Nous utilisons les formes de timeline de type "focus" car cette visualisation cible naturellement une version dans la scène 3D (voir Figure 4). L'utilisateur peut ainsi comparer la version figée de la maquette tangible avec l'une des versions de la timeline. L'utilisateur peut passer d'une version à une autre dans la timeline grâce au pavé numérique. La version de la maquette est sélectionnée par défaut au lancement de l'interaction afin que l'utilisateur sache à partir de quelle version il visualise les changement.

Pour illustrer l'évolution du quartier par rapport à la version figée en Lego nous projetons un calque correspondant au cadastre des

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<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>**Figure 5:** Résultat de notre approche de projection de calque de changement contextualisé avec un multimédia. L'image du dessus est la projection du calque de changement avec les couleurs rouge et jaune correspondant à une destruction et une modification. Le multimédia, à côté, contient une image avec un titre. On retrouve cette projection sur la photo du dispositif.</figcaption></figure>

focus par l'utilisateur. Un calque peut être associé à plusieurs éléments multimédias, apportant ainsi plus d'informations à celui-ci.

Le multimédia est projeté à côté de la maquette physique, placé à côté du calque de changements pour ne pas empièter dessus (voir la photo Figure 3). La navigation entre les multimédia associé à un calque s'effectue avec le pavé numérique.

## 5. Résultats et ateliers

La combinaison de la représentation de l'évolution urbaine avec des informations multimédias contextuelles sur la maquette crée un environnement propice aux échanges sur l'évolution urbaines. Il fournit toutes les informations nécessaires pour une compréhension approfondie des transformations de la ville. Ce dispositif se prête particulièrement bien à l'organisation d'ateliers thématiques sur des questions urbaines spécifiques, en permettant aux utilisateurs d'interagir entre eux et avec la maquette. De plus, sa capacité à présenter des données complexes de manière hybride et interactive peut être utilisée comme un outil d'aide à la décision pour les urbanistes, les planificateurs et les décideurs politiques.

Nous avons pu expérimenter le dispositif lors d'ateliers pluridisciplinaires autour des données urbaines. Nous avons réuni des étudiants de formations variées pour travailler sur une thématique urbaine avec comme seule contrainte d'utiliser la maquette augmentée comme support. Une phase de conception et de développement d'une semaine permettait aux étudiants de s'emparer du dispositif et préparer leur thématique. Nous avons pu constater que le public s'appropriait rapidement le territoire, qui pouvait être inconnu pour certains, et les échanges se focalisaient sur la thématique urbaine choisie par les étudiants. Le dispositif n'a été testé lors d'atelier que sur des calques sans la visualisation de l'évolution urbaine (un exemple est montré en Figure 3). Nos prochains ateliers se baseront sur cette visualisation de l'évolution avec la maquette augmentée afin de continuer à faire évoluer le dispositif.

## 6. Conclusion

La représentation de l'évolution urbaine est un élément clef dans la compréhension d'un territoire. Notre approche pour la visualisation de l'évolution urbaine combine les avantages des représentations numériques et des maquettes physiques. Nous présentons une approche de conception de maquette augmentée reproductible et basée sur les données 3D géospatiales. L'intégration de la représentation en timelines de l'évolution couplée à la projection sur la maquette donne une visualisation claire et intuitive des changements urbains au fil du temps. L'ajout d'un module d'intégration de multimédia contextualise les changements observés offrant une compréhension plus approfondie des raisons et des impacts des évolutions urbaines. Cette fonctionnalité enrichit l'expérience utilisateur et le potentiel pédagogique du dispositif. Notre approche favorise une compréhension collective et interactive des enjeux urbains, dépassant les limites des outils purement numériques ou physiques. Une des possibles amélioration du dispositif, serait l'intégration de fonctionnalités de simulation urbaine afin de rendre l'outil plus immersif.

bâtiments du territoire. Le calque reprend les mêmes couleurs des types de changements morphologiques citées plus haut pour mettre en évidence les bâtiments en Lego qui ont évolué. Sur la Figure 5, on voit ainsi un bâtiment "rouge" qui indique que ce bâtiment a été détruit entre la version de la maquette et la version mise en avant en 3D. Actuellement, les calques de changement morphologique sont créés manuellement mais nous travaillons à leur génération automatique en fonction de la colorisation des bâtiments en 3D.

## 4.2. Projection des multimédias

La représentation des types de changements ne suffit pas à expliquer les raisons de ces modifications et manque de contextualisation. Pour pallier ce problème, nous complétons la projection par des multimédias. Ces multimédias sont liés à une version spécifique des données et contextualisent les différents types de changements urbains survenus pendant la période sélectionnée sur la timeline. Ce contenu s'adapte dynamiquement en fonction de la version mise en
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