Faits : A. A.a. Depuis une vingtaine d'années, les autorités vaudoises ont engagé une réflexion afin de trouver un nouvel emplacement pour le Musée cantonal des Beaux-Arts (MCBA), qui est actuellement situé dans le bâtiment dit "Palais de Rumine" au centre de la ville de Lausanne. Le Conseil d'Etat a chargé un groupe d'experts de conduire une procédure de recherche et d'évaluation des sites susceptibles d'accueillir le MCBA. Quatre emplacements ont été retenus par le groupe d'évaluation. Le Conseil d'Etat a opté pour le projet "Halle CFF aux locomotives". Celui-ci prévoit d'installer le MCBA dans la halle CFF aux locomotives, formée de trois corps de bâtiments construits entre 1909 et 1911 situés le long des voies CFF à proximité de la gare de Lausanne. Les bâtiments se trouvent au Nord-Ouest de la gare dont ils sont séparés par l'avenue William-Fraisse. La halle aux locomotives figure à l'inventaire prévu par la loi vaudoise du 10 décembre 1969 sur la protection de la nature, des monuments et des sites (LPNMS/VD; RS VD 450.11) et a reçu la note 2 au recensement architectural prévu par le règlement d'application de la LPNMS. Le site prévu pour l'implantation du musée comprend une surface de 21'000 m2. Au printemps 2010, compte tenu des surfaces disponibles, le Conseil d'Etat et la Municipalité de Lausanne ont décidé la création sur le site choisi d'un "pôle muséal" comprenant, outre le MCBA, le Musée cantonal pour la photographie de l'Elysée et le Musée de design et d'arts appliqués contemporains (MUDAC). Le projet de pôle muséal a fait l'objet d'un concours d'architecture. Le jury a choisi le projet "Bleu" des architectes Fabrizio Barozzi et Alberto Veiga. Celui-ci implique la destruction d'une grande partie de la halle aux locomotives. Il prévoit principalement la construction d'un bâtiment rectangulaire de trois niveaux le long des voies CFF, la création d'une place et le désenclavement du site. A.b. Un plan d'affectation cantonal "Plate-forme Pôle Muséal" (ci-après : le PAC n° 332) a été établi en vue de la réalisation du projet. Le périmètre du PAC comprend les parcelles nos 5'080, 5'770 et 5'819 du cadastre de la Commune de Lausanne, d'une surface de respectivement 50'342 m2, 23'646 m2et 1'110 m2, toutes propriétés des CFF. Ces parcelles sont comprises dans la zone mixte de forte densité prévue par le plan général d'affectation de la Commune de Lausanne mis en vigueur le 26 juin 2006 (PGA). Le périmètre du PAC est délimité au Sud par les voies CFF. Du Nord-Ouest au Nord-Est, il jouxte le chemin de Villard puis des parcelles bâties le long du chemin de Villard ainsi que des parcelles bâties le long de l'avenue Ruchonnet, qui est une des routes principales reliant le centre de Lausanne à la gare. A l'Est, le plan borde l'avenue William-Fraisse qui descend en direction du Sud vers le bas de la ville (quartier "sous-gare") et le lac Léman. De l'autre côté de l'avenue William-Fraisse se trouvent les bâtiments de la gare de Lausanne. Le PAC n° 332 comprend trois aires constructibles (A, B et C), une aire des aménagements extérieurs destinée notamment à une "esplanade muséale" sise principalement dans les parties Est et Nord du périmètre et une aire à vocation écologique prévue dans la partie Ouest (correspondant à une bande de talus séchards exposés au Sud) destinée à préserver et favoriser une surface enherbée extensive, riche en biodiversité. Selon le rapport établi en application de l'art. 47 de l'ordonnance du 28 juin 2000 sur l'aménagement du territoire (OAT; RS 700.1), l'aire des constructions A, sise au Sud du périmètre le long des voies CFF, est destinée à la construction du MCBA et ses fonctions annexes (bibliothèque, librairie, restaurant, auditoire, etc.). Cette aire comprend également le pignon Sud des anciennes halles aux locomotives, qui sera renforcé structurellement et conservé. L'aire des constructions B, sise au Nord-Ouest de l'aire des constructions A, est destinée à la construction du MUDAC, du Musée de l'Elysée et de locaux complémentaires (salles de spectacle, salles de musique, galeries, ateliers d'artiste, etc.). L'aire des constructions C, située à l'Ouest et au Nord de l'aire des constructions B (soit à l'arrière du MUDAC et du Musée de l'Elysée), est destinée à recevoir des activités CFF et des programmes culturels complémentaires. Selon le rapport 47 OAT et le règlement du PAC (RPAC), l'aire des aménagements extérieurs est destinée à la création d'une "esplanade muséale" entièrement piétonne pouvant accueillir des constructions souterraines sous la totalité de sa superficie ainsi que les infrastructures y relatives. Un parking souterrain d'une capacité maximale de 97 places est prévu. Selon le rapport 47 OAT, celui-ci bénéficiera d'un accès indépendant depuis l'avenue William-Fraisse et sera majoritairement destiné aux activités des CFF. Selon l'art. 21 RPAC, l'accès au périmètre du PAC est limité aux seuls véhicules de service pour la Plate-forme Pôle Muséal et la logistique de la gare ainsi qu'aux véhicules d'entretien des espaces publics ou en lien avec les ouvrages destinés aux activités ferroviaires et installations techniques ferroviaires. L'accès est autorisé pour les deux-roues légers non motorisés. A.c. Le PAC n° 332 a été soumis à l'enquête publique du 24 août 2012 au 24 septembre 2012. Il a suscité 18 oppositions dont celle de C._ représentant 31 habitants de l'avenue Ruchonnet et du chemin de Villard et celle de plusieurs habitants du quartier de la gare réunis sous l'appellation "collectif gare". B. Par décision du 10 décembre 2012, le Département de l'intérieur a approuvé le PAC n° 332 et levé les oppositions. Saisie de recours d'un grand nombre d'opposants contre cette décision, la Cour de droit administratif et public du Tribunal cantonal vaudois (CDAP) a statué par arrêt du 26 novembre 2013. Elle a rejeté les recours, considérant notamment que les prescriptions de l'ordonnance du 27 février 1991 sur la protection contre les accidents majeurs (OPAM; 814.012) étaient respectées, que l'adoption du PAC reposait sur une pesée complète et correcte des intérêts à prendre en considération, que le fait d'avoir étendu le projet à un pôle muséal plutôt qu'au seul MCBA, ultérieurement à l'examen de variantes dans le choix du site, ne violait pas l'art. 2 OAT, et que l'ampleur et les caractéristiques du projet n'imposaient pas qu'il figure dans le plan directeur cantonal. C.