La construction de modèles 3D assistée par système expert : un exemple appliqué à la géologie
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Par
Éric Janssens-Coron, Jacynthe Pouliot, Bernard Moulin Centre de recherche en géomatique, Département des sciences géomatiques Université Laval |
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La géologie est un des nombreux domaines où les modèles 3D représentent un outil très intéressant. Connaître la structure tridimensionnelle du sous-sol est nécessaire dans de nombreux secteurs d’importance comme le génie civil, l’urbanisme souterrain ou l’hydrogéologie que ce soit pour effectuer des tâches de gestion ou de prévision, ou pour évaluer des risques environnementaux ou des mesures de protection des ressources naturelles (l’eau en particulier), etc. Même si on peut penser que tous les géologues font de la 3D, encore de nos jours, c’est une minorité de géologues qui sont spécialisés et qui possèdent des expertises en modélisation 3D (Bédard, 2006). Rappelons que les étapes d’analyse et d’intégration des données dans un modèle 3D géologiquement et topologiquement cohérent restent longues et délicates, malgré l’emploi de logiciels de modélisation spécialisés. |
Cliquez sur l'image pour voir l'animation  Fig.1 : Exemple (animation) de modèle géologique 3D constitué de quatre couches et de trois failles parallèles. |
La modélisation 3D assistée par système expert
Une approche envisageable pour la construction assistée de ces modèles est de disposer d’un logiciel capable de diriger le processus de modélisation géologique 3D. Ce logiciel devrait répondre à certains critères comme de permettre une prise en main simple du logiciel par l’utilisateur ou encore de réduire les manipulations afin de diminuer le plus possible le temps de construction. Le logiciel devrait également être capable d’analyser les données en faisant intervenir l’utilisateur le moins possible et de construire le modèle 3D sans intervention (ou presque). Par ailleurs, le logiciel devrait intégrer un mécanisme de contrôle afin d’assurer la cohérence des modèles construits.
Une des solutions consiste à exploiter un système expert. Un système expert est capable de simuler des raisonnements employés par des experts humains pour analyser et résoudre des problèmes. Il emploie pour cela des règles si-alors (Buchanan, 1988). Par exemple, « SI l’unité de granite est sous l’unité de grès ALORS le granite est plus ancien que le grès ». Cette approche a été jugée pertinente dans un contexte de modélisation géologique car les géologues emploient de nombreux principes pouvant être traduits sous forme de règles (Hart, 1978). L’utilisateur de ce type de logiciel, quant à lui, peut dialoguer avec le système expert pour lui fournir des informations simples (le type de roche par exemple). Il est aussi possible d’élaborer et d’ajouter assez facilement des règles de validation de la cohérence des modèles 3D produits.
Prototype et expérimentation de l’application OMEGAH 3D
Dans le cadre d’un projet de doctorat, le prototype Outil de modélisation expert géologique pour des applications hydrogéologiques 3D (OMEGAH 3D) et diverses expérimentations ont été réalisés pour implémenter un système expert, des fonctionnalités de modélisation géométrique 3D et les connaissances des experts géologues. Ce travail faisait partie intégrante du projet GEOIDE GeoTopo3D et il a été effectué de concert avec la Commission géologique du Canada (CGC) à Québec. Plusieurs scientifiques de la CGC en particulier sont intervenus dans le processus de formalisation des connaissances dont A. Rivera, A. Bolduc, Y. Michaud et S. Paradis, de même qu’une experte en modélisation géologique 3D de l’Institut national de la recherche scientifique (K. Bédard).
Données et normes employées
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Deux types de données fréquemment employées pour la construction des modèles géologiques 3D ont été utilisés : les coupes géologiques et les forages. Les coupes géologiques sont des profils verticaux (2D) représentant les objets géologiques du sous-sol le long d’un tracé linéaire. Elles sont le résultat de l’interprétation par un géologue de diverses sources de données (observations de terrain, profils sismiques, cartes géologiques, etc.). Les forages peuvent fournir de nombreux types de données (conductivité électrique, porosité, etc.). Pour cette première expérimentation seule la lithologie (le type de roche) fut utilisée. |
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Deux normes internationales ont été retenues afin de limiter les difficultés d’intégration d’une part des différents types de données lors de la construction du modèle et d’autre part du modèle construit dans des applications (hydrogéologiques par exemple). La norme ISO-19107 (Schéma Spatial) produite par l’ISO TC/211 a été utilisée pour la normalisation des données spatiales et la norme GeoSciML (GeoSciences Markup Language), développée par CGI (Commission for the Management and Application of Geoscience Information) et basée sur la norme GML de l’OGC, pour la normalisation des données géoscientifiques.
Analyse des données : cas des coupes géologiques
À ce jour, OMEGAH 3D exploite une soixantaine de règles, en majorité destinées à l’analyse des données et environ soixante-dix concepts spatiaux (provenant du Schéma Spatial) et thématiques (extraits de GeoSciML).
Cliquez sur l'image pour un agrandissement Fig. 3 : A – Une coupe géologique. B – Le graphe 2D associé, produit automatiquement par OMEGAH-3D |
L’analyse des données par OMEGAH 3D constitue la première étape du processus de modélisation. OMEGAH 3D collecte les données thématiques nécessaires auprès de l’utilisateur (le type de roche, la porosité efficace, etc.) pour chaque bloc géologique (surface numérotée dans la fig. 3). OMEGAH 3D analyse ensuite les coupes afin d’identifier les objets géologiques les constituant sans autre intervention de l’utilisateur. Ces objets peuvent être des blocs géologiques (2D) ou des contacts (1D). Dans un second temps, l’analyse permet de déterminer les relations topologiques entre ces objets (l’adjacence entre un bloc et un contact par exemple). Cette analyse produit deux résultats. D’une part, un graphe, obtenu exclusivement à l’aide de règles d’analyse spatiale, détermine les relations topologiques entre les objets géologiques. D’autre part, un graphe de construction de la coupe (graphe 2D) identifie l’ordre dans lequel les objets géologiques doivent être construits pour assurer une cohérence topologique et géologique. Pour ce second graphe, OMEGAH 3D exploite des règles de topologie et des principes géologiques comme le principe de superposition selon lequel une couche est plus récente que celle qu’elle recouvre (fig. 3). |
Construction du modèle 3D
L’étape suivante consiste à associer les coupes pour en produire une représentation volumique. Pour construire le modèle 3D, la version actuelle d’OMEGAH 3D exploite les graphes 2D de deux coupes géologiques parallèles entre elles et qui servent de « squelette » au modèle 3D. OMEGAH 3D apparie les graphes 2D sans intervention de l’utilisateur. Cette association permet de constituer un seul graphe de construction 3D (fig. 4).
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Fig. 4 : A et B – Exemples de coupes parallèles d’un site.
C – Le graphe 3D issu des deux coupes.
Le système interpole par la suite en respectant l’ordre des étapes de construction. Il intègre également à ce stade les données de forage relatives aux objets géologiques en cours de construction afin d’améliorer localement la qualité du modèle et de fournir un résultat comparable au modèle construit par les experts de la CGC (fig. 5).
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Fig. 5 : A – Modèle 3D d’OMEGAH 3D avec les forages.
B – Modèle 3D de la CGC. Exagération verticale x20.
Discussion
OMEGAH 3D a été testé sur une zone de l’esker Saint-Mathieu (Abitibi) d’environ dix kilomètres de large, trois kilomètres de long et deux cents mètres de profondeur, constituée de cinq types de roche différents. Deux coupes géologiques, constituant les limites nord et sud de la zone test, et vingt-neuf forages ont été utilisés pour constituer le modèle 3D.
Ce test montre qu’un système expert est en mesure d’analyser certains types de données et de les intégrer afin de construire un modèle 3D. Le gain de temps est appréciable, passant de plusieurs heures pour la construction par un spécialiste dans un logiciel spécialisé (gOcad) à une vingtaine de minutes dans notre cas particulier. Le système expert permet de formaliser et de superviser la construction de modèles géologiques 3D en prenant en compte certaines étapes d’analyse et les étapes techniques de modélisation 3D.
La qualité du modèle 3D obtenu a été évaluée en le comparant au modèle construit par la CGC. L’analyse comparative visuelle des formes des objets, volumiques en particulier, montre que celles-ci sont globalement respectées même si on note des variations locales. Les volumes sont également comparables (tableau 1). Ces premières analyses laissent penser que ces variations sont dues à la méthode d’interpolation employée ainsi qu’à la simplicité de la version actuelle d’OMEGAH 3D. Nous estimons que celle-ci, même si elle doit être améliorée, serait très utile pour la construction de modèles « prototypes ». À plus grande échéance, l’emploi d’un système expert permettrait de généraliser la construction et donc l’utilisation de modèles géologiques pour des domaines autres que la géologie (génie civil, hydrogéologie, etc.).
Région |
Volume (m3) |
Rapport |
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OMEGAH 3D |
CGC |
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| Total | 4 000 950 544 |
3 899 709 140 |
2,60 % |
| Dépôts littoraux | 47 248 080 |
21 770 300 |
117,03 % |
| Argiles glacio-lacustres | 76 171 920 |
76 972 500 |
-1,04 % |
| Sable et gravier | 166 451 000 |
207 571 340 |
-19,81 % |
| Till | 348 143 000 |
189 605 000 |
83,61 % |
| Soubassement rocheux | 3 362 936 544 |
3 403 790 000 |
-1,20 % |
Tableau 1 : Tableaux comparatifs des volumes des deux modèles.
Nous estimons que les travaux futurs pourraient être orientés selon trois axes principaux.
- Le premier axe est de développer la base de connaissances du système expert (en particulier, ajouter des règles et des principes géologiques exploités).
- Le second axe consiste à améliorer la méthode d’interpolation employée voire à proposer d’autres méthodes d’interpolation intégrant plus d’informations géoscientifiques.
- Le dernier axe consiste à développer l’intégration entre les modèles géologiques 3D issus du système expert et les éventuelles applications utilisatrices (en hydrogéologie par exemple). Cela passe par l’analyse et l’intégration d’autres types de données géoscientifiques en particulier.
Remerciements
Nous remercions les experts de la Commission géologique du Canada à Québec pour leur expertise et pour nous avoir fourni leurs données. Nous remercions également MM. Ch. Thérien et V. Thomas pour leur aide dans la programmation du prototype ainsi que le réseau GEOIDE pour le financement.
Pour en savoir plus
- Janssens-Coron, E., Pouliot, J., Moulin, B. et A. Rivera. (2010) An experimentation of expert systems applied to 3D geological models construction. Developments in 3D Geo-Information Sciences. Lecture Notes in Geoinformation and Cartography, Neutens, T., deMaeyer, P. (Eds). pp.71-91.
- Janssens-Coron, E., Pouliot, J., Moulin, B. et A. Rivera. (2009) Modélisation géologique 3D : spécifications et apports des systèmes experts. Geomatica, vol. 63, no 4, pp. 211-219.
- Janssens-Coron, E., Pouliot, J. et B. Moulin. (2007) The 3D hydrogeological modeling: expert systems in the rescue? 2007 CIG/ ISPRS Conference on Geomatics for Disaster and Risk Management, Toronto, Canada.
Références
- Bédard, K. (2006) La construction de modèles géologiques 3D : de la standardisation au tutoriel. Mémoire de maîtrise. Université Laval, 141 p.
- Buchanan, B. G. et R. G. Smith. (1988) Fundamentals of Expert Systems. Annual Reviews of Computer Sciences, 1988, vol. 3, pp. 23-58.
- Hart, P. E., Duda, R. O. et M. T. Elnaudi. (1978) PROSPECTOR - A Computer-Based Consultation for Mineral Exploration. Mathematical Geology. vol. 10, no 5.
