Particle-based adaptive coupling of 3D and 2D fluid flow models

peer reviewedThis paper proposes the notion of model adaptivity for fluid flow modelling, where the under- lying model (the governing equations) is adaptively changed in space and time. Specifically, this work introduces a hybrid and adaptive coupling of a 3D bulk fluid flow model with a 2D thin film flow model. As a result, this work extends the applicability of existing thin film flow models to complex scenarios where, for example, bulk flow develops into thin films after striking a surface. At each location in space and time, the proposed framework automatically decides whether a 3D model or a 2D model must be applied. Using a meshless approach for both 3D and 2D models, at each particle, the decision to apply a 2D or 3D model is based on the user-prescribed resolution and a local principal component analysis. When a particle needs to be changed from a 3D model to 2D, or vice versa, the discretization is changed, and all relevant data mapping is done on-the-fly. Appropriate two-way coupling conditions and mass conservation considerations between the 3D and 2D models are also developed. Numerical results show that this model adaptive framework shows higher flexibility and compares well against finely resolved 3D simulations. In an actual application scenario, a 3 factor speed up is obtained, while maintaining the accuracy of the solution.U-AGR-6054 - IAS-AUDACITY ADONIS - BORDAS Stéphan

Toward knowledge-based automatic 3D spatial topological modeling from LiDAR point clouds for urban areas

Le traitement d'un très grand nombre de données LiDAR demeure très coûteux et nécessite des approches de modélisation 3D automatisée. De plus, les nuages de points incomplets causés par l'occlusion et la densité ainsi que les incertitudes liées au traitement des données LiDAR compliquent la création automatique de modèles 3D enrichis sémantiquement. Ce travail de recherche vise à développer de nouvelles solutions pour la création automatique de modèles géométriques 3D complets avec des étiquettes sémantiques à partir de nuages de points incomplets. Un cadre intégrant la connaissance des objets à la modélisation 3D est proposé pour améliorer la complétude des modèles géométriques 3D en utilisant un raisonnement qualitatif basé sur les informations sémantiques des objets et de leurs composants, leurs relations géométriques et spatiales. De plus, nous visons à tirer parti de la connaissance qualitative des objets en reconnaissance automatique des objets et à la création de modèles géométriques 3D complets à partir de nuages de points incomplets. Pour atteindre cet objectif, plusieurs solutions sont proposées pour la segmentation automatique, l'identification des relations topologiques entre les composants de l'objet, la reconnaissance des caractéristiques et la création de modèles géométriques 3D complets. (1) Des solutions d'apprentissage automatique ont été proposées pour la segmentation sémantique automatique et la segmentation de type CAO afin de segmenter des objets aux structures complexes. (2) Nous avons proposé un algorithme pour identifier efficacement les relations topologiques entre les composants d'objet extraits des nuages de points afin d'assembler un modèle de Représentation Frontière. (3) L'intégration des connaissances sur les objets et la reconnaissance des caractéristiques a été développée pour inférer automatiquement les étiquettes sémantiques des objets et de leurs composants. Afin de traiter les informations incertitudes, une solution de raisonnement automatique incertain, basée sur des règles représentant la connaissance, a été développée pour reconnaître les composants du bâtiment à partir d'informations incertaines extraites des nuages de points. (4) Une méthode heuristique pour la création de modèles géométriques 3D complets a été conçue en utilisant les connaissances relatives aux bâtiments, les informations géométriques et topologiques des composants du bâtiment et les informations sémantiques obtenues à partir de la reconnaissance des caractéristiques. Enfin, le cadre proposé pour améliorer la modélisation 3D automatique à partir de nuages de points de zones urbaines a été validé par une étude de cas visant à créer un modèle de bâtiment 3D complet. L'expérimentation démontre que l'intégration des connaissances dans les étapes de la modélisation 3D est efficace pour créer un modèle de construction complet à partir de nuages de points incomplets.The processing of a very large set of LiDAR data is very costly and necessitates automatic 3D modeling approaches. In addition, incomplete point clouds caused by occlusion and uneven density and the uncertainties in the processing of LiDAR data make it difficult to automatic creation of semantically enriched 3D models. This research work aims at developing new solutions for the automatic creation of complete 3D geometric models with semantic labels from incomplete point clouds. A framework integrating knowledge about objects in urban scenes into 3D modeling is proposed for improving the completeness of 3D geometric models using qualitative reasoning based on semantic information of objects and their components, their geometric and spatial relations. Moreover, we aim at taking advantage of the qualitative knowledge of objects in automatic feature recognition and further in the creation of complete 3D geometric models from incomplete point clouds. To achieve this goal, several algorithms are proposed for automatic segmentation, the identification of the topological relations between object components, feature recognition and the creation of complete 3D geometric models. (1) Machine learning solutions have been proposed for automatic semantic segmentation and CAD-like segmentation to segment objects with complex structures. (2) We proposed an algorithm to efficiently identify topological relationships between object components extracted from point clouds to assemble a Boundary Representation model. (3) The integration of object knowledge and feature recognition has been developed to automatically obtain semantic labels of objects and their components. In order to deal with uncertain information, a rule-based automatic uncertain reasoning solution was developed to recognize building components from uncertain information extracted from point clouds. (4) A heuristic method for creating complete 3D geometric models was designed using building knowledge, geometric and topological relations of building components, and semantic information obtained from feature recognition. Finally, the proposed framework for improving automatic 3D modeling from point clouds of urban areas has been validated by a case study aimed at creating a complete 3D building model. Experiments demonstrate that the integration of knowledge into the steps of 3D modeling is effective in creating a complete building model from incomplete point clouds