1. 1 Introduction aux SIG Sylvain Thry UMR 7619 Sisyphe thery@ccr.jussieu.fr S. Thry - IST, novembre 2005 2 Sources utilises Ce document sinspire en partie de supports de cours raliss par LUMR Sisyphe (CNRS-Paris VI) LUMR Prodig (CNRS-Paris I) LInstitut National Agronomique Paris-Grignon Lcole Nationale des Sciences Gographiques LUniversit de Genve

2. 2 S. Thry - IST, novembre 2005 3 Sommaire Introduction Notions de godsies Les grands types de donnes Notions de bases de donnes Les fonctions du SIG Les principaux logiciels S. Thry - IST, novembre 2005 4 Introduction (1) SIG = Systme dInformation gographique Un Systme d'Information Gographique est un ensemble de donnes numriques, localises gographiquement et structures l'intrieur d'un systme de traitement informatique comprenant des modules fonctionnels permettant de construire, de modifier, d'interroger, de reprsenter cartographiquement les donnes, selon des critres smantiques et spatiaux.

3. 3 S. Thry - IST, novembre 2005 5 Introduction (2) SIG = Systme dInformation gographique S. Thry - IST, novembre 2005 6 Sommaire Les fonctions dun SIG (les 5A) Abstraction, Acquisition, Archivage, Analyse et Affichage de donnes caractre spatial

4. 4 S. Thry - IST, novembre 2005 7 Sommaire Introduction Notions de godsies Les grands types de donnes Notions de bases de donnes Les fonctions du SIG S. Thry - IST, novembre 2005 8 Notions de godsie (1) Les donnes utilises dans les SIG ont un caractre spatial dfinie par une gomtrie La localisation de cette gomtrie est exprime soit dans lespace gographique non-projet (latitude/longitude) soit dans un systme de projection

5. 5 S. Thry - IST, novembre 2005 9 Notions de godsie (3) Pourquoi a-t-on besoin des projections cartographiques ? Pour se reprer, Pour permettre la comparaison prcise de la forme, laire, la distance ou la direction des objets sur une carte, Pour superposer des objets de thmes diffrents dans le logiciel SIG. S. Thry - IST, novembre 2005 10 Notions de godsie (4) Pourquoi a-t-on besoin des projections cartographiques ? carte du XV sicle base sur les texte de Ptolme (110-160 Aprs JC ?)

6. 6 S. Thry - IST, novembre 2005 11 Notions de godsie (5) Pour comprendre la notion de projection, il convient de connatre quelques concepts de godsie Godsie : science qui tudie la mesure des dimensions et la forme de la terre. Cette science intervient en amont de la cartographie et permet (entre autre) dassurer le positionnement des bases de donnes gographiques ncessaire aux SIG. S. Thry - IST, novembre 2005 12 Notions de godsie (6) La forme de la terre est rgit par un phnomne physique fondamentale, la pesanteur (force attractive rsultante exerce sur chaque point matriel). De ce fait, la terre est assimile une sphre de forme imparfaite, le gode. Dfinition du gode : surface quipotentielle des forces de la pesanteur reprsente par la surface moyenne du niveau des mers qui se prolonge sous les continents. Cette surface thorique se rapproche le plus de la forme relle de la terre puisque la surface des ocans (les du globe) se confond avec le gode.

7. 7 S. Thry - IST, novembre 2005 13 Notions de godsie (7) Le gode est essentiellement utilis qu'en altimtrie. Pour traiter la reprsentation planimtrique de la surface de la terre on assimile le gode un ellipsode de rvolution (c'est dire une sphre aplatie aux ples). L'ellipsode est une surface mathmatique, la plus proche de la surface de la terre, abstraction faite du relief. Cest essentiellement cette notion qui est utilis dans le domaine des SIG et de la cartographie. S. Thry - IST, novembre 2005 14 Notions de godsie (6) Gode : Surface thorique la plus proche de la surface de la terre. Ellipsode : Surface mathmatique la plus proche du gode.

8. 8 S. Thry - IST, novembre 2005 15 Notions de godsie (7) Pour calculer le rseau godsique dont dpend sa cartographie, chaque pays choisi un ellipsode propre, aussi voisin que possible du gode sur l'tendu de son territoire. Pour la France, l'ellipsode retenu est celui de Clarke 1880, tangent au gode Paris. Cet ellipsode, comme tout ellipsode, est associ un Datum. S. Thry - IST, novembre 2005 16 Notions de godsie (8) Un Datum est un systme godsique de rfrence, il existe des systmes locaux et des systmes spatiaux (mondiaux). Il sagit dun repre affine 3 dimensions dont le centre est proche du centre des masses de la terre. (dune dizaine de mtre moins de 500 mtres). Un systme godsique de rfrence local est donc caractris par : - un ellipsode - un point fondamental (point pour lequel lellipsode et le gode sont confondu) - un mridien dorigine qui correspond lorigine des longitudes, - une reprsentation plane

9. 9 S. Thry - IST, novembre 2005 17 Notions de godsie (9) Exemple de systme godsique local utilis actuellement en France : Nouvelle Triangulation Franaise NTF Ellipsode : Clarke 1880 Point fondamental : Croix du panthon Paris. Mridien origine : Paris (situ 22014.025 lEst de celui de Greenwich). Reprsentation plane associe : Lambert Zone I, II, III, IV. S. Thry - IST, novembre 2005 18 Notions de godsie (10) Exemple de systme godsique spatial utilis en France : Rseau Godsique Franais RGF 93, Rseau de Rfrence Franais (RRF) : 23 sites. Rseau de Base Franais (RBF) densification du prcdent (1009 sites). Rseau de Dtail Franais (RDF), constitu des points de la NTF, la prcision est de 5 10 cm Mridien dorigine (origine des longitudes) Greenwich, Ellipsode associ : IAG-GRS80, Projection associe : projection conique conforme scante appel Lambert 93 .

10. 10 S. Thry - IST, novembre 2005 19 Notions de godsie (11) Lensemble des notions abordes concernent la reprsentation planimtrique (ellipsode) et altimtrique (gode). Si lon veut reprsenter une portion de la surface de la terre sur un plan, il faut tablir une correspondance (la plus fidle possible) entre les points de la portion de lellipsode reprsenter et ceux du plan. S. Thry - IST, novembre 2005 20 Notions de godsie (12) Lespace gographique, matrialis par lellipsode, est un espace courbe. Pour passer de cet espace courbe une carte dessine sur un plan on utilise une projection cartographique. Cest dire une transformation mathmatique faisant correspondre un point de lellipsode un point du plan. Cette transformation introduit ncessairement des dformations, cest dire des dplacements relatifs des points de la surface terrestre rapports lellipsode de rfrence. Cependant il est possible de minimiser certaines dformations, afin de conserver les proprits correspondantes.

11. 11 S. Thry - IST, novembre 2005 21 Notions de godsie (13) Les projections peuvent tre classes en fonction des distorsions minimiss : Conforme : conserve localement les angles et les formes. Exclusivement utilis en godsie et topographie. Par contre ce type de projection modifie les rapports de surface. Equivalente : conservation des rapport de surfaces. Projection sans intrt du point de vue topographique car les longueurs mais aussi les angles sont altrs. Utilis pour la cartographie. Aphylactique : ne conserve ni les angles (conforme) ni les surfaces (quivalente). Les projections quidistantes (ne dforme pas les distances) sont classes dans cette catgorie. S. Thry - IST, novembre 2005 22 Notions de godsie (14) Par ailleurs aucune projection ne conserve les longueurs sur lensemble du domaine reprsent, effectivement lellipsode ne pouvant se dvelopper sur une surface plane, chaque longueur subie une altration qui dpend de se position sur lellipsode. Chaque systme de projection est donc dfini afin de minimiser cette altration linaire.

12. 12 S. Thry - IST, novembre 2005 23 Notions de godsie (15) La projection azimutale consiste projeter une portion de lellipsode sur un plan tangent la sphre (ce type de projection est aussi appel projection perspective ou projection znithale). La projection conique : la surface projete est un cne tangent ou scant la sphre. La projection cylindrique : la surface de rfrence la forme dun cylindre, tangent ou scant lellipsode. S. Thry - IST, novembre 2005 24 Notions de godsie (16) Le choix dun systme de projection doit tre effectu en fonction des besoins auxquels il doit rpondre. Par exemple : si une carte doit permettre des comparaisons de surface, on optera pour une projection qui conserve les superficies: projection quivalente. si une carte doit servir la navigation maritime ou arienne, on choisira une projection qui conserve les angles, les directions: projection conforme. si une carte doit reprsenter les distances relles entre diffrents sites, on choisira une projection qui respecte les rapports de distances : projection quidistante.

13. 13 S. Thry - IST, novembre 2005 25 Notions de godsie (17) S. Thry - IST, novembre 2005 26 Sommaire Les fonctions dun SIG (les 5A) Abstraction, Acquisition, Archivage, Analyse et Affichage de donnes caractre spatial

14. 14 S. Thry - IST, novembre 2005 27 Sommaire Introduction Notions de godsies Les grands types de donnes Notions de bases de donnes Les fonctions du SIG S. Thry - IST, novembre 2005 28 Types de donnes spatiales (1) On distingue essentiellement deux types de donnes spatiales Les donnes vectorielles Les donnes images (ou raster)

15. 15 S. Thry - IST, novembre 2005 29 Donnes vecteurs (1) Les donnes vecteur sont un ensemble d'objets gographiques reprsents chacun par des primitives graphiques : le point et l'arc. Les arcs se connectent leur extrmit ou nud pour former des lignes et des polygones. S. Thry - IST, novembre 2005 30 Donnes vecteurs (2)

16. 16 S. Thry - IST, novembre 2005 31 Donnes vecteurs (3) Un parcellaire ou tout autre zonage thmatique est constitu de polygones : ce sont des donnes surfaciques. Des rseaux techniques, des cours d'eau ou des voies sont reprsents par des lignes : ce sont des donnes linaires ou filaires. Des puits, des points de sondage, des siges d'exploitation sont reprsents par des points : ce sont des donnes ponctuelles. S. Thry - IST, novembre 2005 32 Donnes vecteurs (4)

17. 17 S. Thry - IST, novembre 2005 33 Donnes vecteurs (5) Elles dfinissent les proprits des diffrentes entits et figurent dans le modle conceptuel de donnes. Elles sont de type alphanumriques (ce sont soit du texte, soit des chiffres). Elles peuvent tre qualitatives (nom de la parcelle) ou quantitatives (rendement dune parcelle agricole). Les donnes attributaires S. Thry - IST, novembre 2005 34 Donnes vecteurs (6) Les donnes attributaires

18. 18 S. Thry - IST, novembre 2005 35 Donnes vecteurs (7) Lien dynamique donnes attributaires et graphiques Il peut se traduire de deux manires : 1 - A chaque fois que l'on pointe GRAPHIQUEMENT sur l'objet d'une couche (un campement, une parcelle...) on connait les proprits de l'objet point. 2 - A chaque fois que l'on pointe dans une table attributaire sur un objet, on sait immdiatement o se situe cet objet sur les plans graphiques. S. Thry - IST, novembre 2005 36 Donnes Raster (1) Ce sont les donnes que l'on obtient partir d'images satellitales, de photographies ariennes numriques (orthophoto) ou de modles numriques de terrain. Une image raster est une matrice ou grille deux dimensions o le pas de la maille (ou pixel) reprsente la rsolution spatiale. Elle correspond la taille des plus petits objets que l'on peut identifier. (ex : 10 m pour les images Spot panchromatique).

19. 19 S. Thry - IST, novembre 2005 37 Donnes Raster (2) S. Thry - IST, novembre 2005 38 Donnes Raster (3)

20. 20 S. Thry - IST, novembre 2005 39 Donnes Raster (4) On peut distinguer deux type de donnes Raster : - les images (utilises essentiellement pour de la reprsentation cartographique) - les grilles (utilis pour du calcul et de la modlisation) S. Thry - IST, novembre 2005 40 Donnes Raster (5) Exemple : photo arienne, scan 25. Linformation contenu dans la matrice de pixel concerne la couleur de reprsentation de linformation. Cette information nest pas directement accessible. Les images

21. 21 S. Thry - IST, novembre 2005 41 Donnes Raster (6) Exemple : Modle numrique de terrain. Linformation contenu dans la matrice de pixel concerne une valeur quantitative (ex. Altitude). Cette information peut tre vue et modifie dans la table attributaire Les grilles (ou grids) S. Thry - IST, novembre 2005 42 Sommaire Introduction Notions de godsies Les grands types de donnes Notions de bases de donnes Les fonctions du SIG

22. 22 S. Thry - IST, novembre 2005 43 Base de donnes gographiques (1) Dans un SIG, les donnes raster ou vecteur sont organiss au sein dune base de donnes qui se dfinie par la zone dtude quelle concerne. La base de donnes contient donc un dcoupage thmatique de la zone d'tude qui se traduit par un ensemble de couches superposables. S. Thry - IST, novembre 2005 44 Base de donnes gographiques (2)

23. 23 S. Thry - IST, novembre 2005 45 Base de donnes gographiques (3) Les donnes concernant la zone d'tude et sa problmatique doivent tre structures pour tre comprhensibles par des logiciels de type SIG. La constitution dune BD gographique passe donc par Une phase d' analyse Elle consiste dfinir le "pour quoi ?" du futur systme d'informations, c'est-- dire sa finalit. A quelle(s) problmatique(s) doit-il rpondre ? Dans quelles mesures peut-il y rpondre ? Une phase de construction du modle conceptuel de donnes Elle consiste structurer les donnes du SIG en construisant un modle, appel modle conceptuel de donnes (MCD) traduisant les finalits du futur systme. S. Thry - IST, novembre 2005 46 Base de donnes gographiques (4) Exemple de Modle Conceptuel de Donnes

24. 24 S. Thry - IST, novembre 2005 47 Base de donnes gographiques (6) Modle Conceptuel de Donnes Une dmarche simple et mthodique de construction consiste : tablir une liste de donnes partir des enqutes, expression des besoins, cahier des charges, tude de faisabilit, et plus gnralement de tout support d'information disponible. procder l'puration des polysmes, des synonymes. dfinir des identifiants pour chaque entit. dfinir les associations entre les diffrentes entits crire les cardinalits des couples entits-associations S. Thry - IST, novembre 2005 48 Base de donnes gographiques (7) Base de donnes Itinraires Techniques INRA-SAD Mirecourt PIREN-Seine Exemple de Modle Physique de Donnes

25. 25 S. Thry - IST, novembre 2005 49 Sommaire Les fonctions dun SIG (les 5A) Abstraction, Acquisition, Archivage, Analyse et Affichage de donnes caractre spatial S. Thry - IST, novembre 2005 50 Sommaire Introduction Notions de godsies Les grands types de donnes Notions de bases de donnes Les fonctions du SIG

26. 26 S. Thry - IST, novembre 2005 51 Abstraction (1) Les systmes dinformation gographique sont utiliss pour raliser des descriptions du territoire permettant dobtenir linformation ncessaire pour rpondre une problmatique. Ils contiennent cette information sous plusieurs formes dont certaines sont des reprsentations dlments ou de phnomnes existants. Ces reprsentations cherchent reproduire le plus fidlement possible la ralit dune manire comprhensible par les utilisateurs et utilisable informatiquement dans le but de rpondre des objectifs donns. Le monde rel est ainsi modlis en fonction des besoins, ce qui permet de dfinir prcisment le contenu du systme. S. Thry - IST, novembre 2005 52 Abstraction (2) Le mode de reprsentation du terrain nest pas neutre

27. 27 S. Thry - IST, novembre 2005 53 Abstraction (3) La reprsentation du terrain est dtermine par les objectifs du systme S. Thry - IST, novembre 2005 54 Acquisition (1) Donnes Raster

28. 28 S. Thry - IST, novembre 2005 55 Acquisition (2) Donnes Vecteur : numrisation sur cran S. Thry - IST, novembre 2005 56 Acquisition (3) Donnes Vecteur : numrisation sur document papier

29. 29 S. Thry - IST, novembre 2005 57 Acquisition (4) Acquisition de donnes sur le terrain S. Thry - IST, novembre 2005 58 Acquisition (5) Donnes externes obtenues auprs de fournisseurs BD ParcellaireBD-Objets-Geol 250 Exemples

30. 30 S. Thry - IST, novembre 2005 59 Archivage (1) Le SIG sert stocker les donnes et les mettre la disposition des utilisateurs du systme Serveur BD Utilisateurs Consultation Mise jour Sauvegarde S. Thry - IST, novembre 2005 60 Archivage (2) Centraliser les donnes de manire norme Relier ces donnes les unes aux autres Permettre leur diffusion Intrts : assurer la cohrence et lintgrit des donnes partager les bases simplifier leur mise jour Objectifs

31. 31 S. Thry - IST, novembre 2005 61 Analyse (1) Croisement de couche vecteur par analyse spatiale S. Thry - IST, novembre 2005 62 Analyse (2) Gotraitements sur des vecteurs On distingue essentiellement Lagrgation Le regroupement Le dcoupage Lintersection Lunion La jointure spatiale

32. 32 S. Thry - IST, novembre 2005 63 Analyse (3) Lagrgation (Dissolve) Permet dassembler des entits dun thme, si la valeur du champ servant lagrgation est la mme pour les entits. Le nouveau thme ainsi cr possdera les attributs du premier thme. S. Thry - IST, novembre 2005 64 Analyse (4) Le regroupement (Merge) Permet de combiner les entits de 2 ou plusieurs thmes. Les thmes doivent tre de mme type de fichier de forme. (combine 2 thmes de polygones s polygones

33. 33 S. Thry - IST, novembre 2005 65 Analyse (5) Le dcoupage (Clip) Permet de dcouper une partie dun thme dentits ponctuels, linaires ou surfacique en se basant sur lextension spatiale dun thme de polygones. S. Thry - IST, novembre 2005 66 Analyse (6) Lintersection (Intersect) Permet de crer un thme intgrant les objets de 2 thmes, en ne conservant que les objets compris dans lextension spatiale commune au 2 thmes. Les attributs des objets du thme cr seront ceux des 2 thmes intersects.

34. 34 S. Thry - IST, novembre 2005 67 Analyse (7) Lunion (Union) Permet de crer un nouveau thme contenant les entits de 2 thmes de polygones ainsi que leurs attributs. S. Thry - IST, novembre 2005 68 Analyse (8) La jointure spatiale (Assign data by location) Permet dattribuer les donnes dun thme la table dun autre thme, lorsque les entits partagent la mme extension spatiale.

35. 35 S. Thry - IST, novembre 2005 69 Analyse (9) Croisement de couche raster par analyse spatiale S. Thry - IST, novembre 2005 70 Analyse (10) Cration dinformation en drivant des couches raster Cration de courbes de niveau

36. 36 S. Thry - IST, novembre 2005 71 Analyse (11) Cration dinformation en drivant des couches raster Cration de grilles daccumulation et de direction pour obtenir une couverture de bassin versant et de drainage S. Thry - IST, novembre 2005 72 Analyse (12) Analyse sur linaire vecteur Ordination de Strahler

37. 37 S. Thry - IST, novembre 2005 73 Analyse (13) Analyse tabulaire et statistique La requte tabulaire (non spatiale) est une phrase logique de type : proprit oprateur valeur exemples : 1. superficie > 10 2. superficie > 10 et pente < 5 3. date_inondation >= 1/01/1994 4. superficie > 10 et pente < 5 et date_inondation >= 1/01/1994 5.(expoitant = "Dupont" ou exploitant = "Durand") et superficie > 2 S. Thry - IST, novembre 2005 74 Analyse (14) Analyse tabulaire et statistique Ces analyses se font par le biais de requtes sur les bases de donnes attributaires. Le langage de formalisation de ces requtes est gnralement le SQL (simple query language) ou un driv. ex : select * from parcelles where s2_km2 >200

38. 38 S. Thry - IST, novembre 2005 75 Analyse (15) Analyse tabulaire et statistique S. Thry - IST, novembre 2005 76 Affichage et restitution (1) Aprs traitement des donnes Les systmes dinformation gographique sont utiliss pour restituter les donnes sous diffrentes formes : Cartes, Graphiques, Tables statistiques, Ou tout autre fichier informatique exportable vers d'autres applications.

39. 39 S. Thry - IST, novembre 2005 77 Affichage et restitution (2) Carte de localisation S. Thry - IST, novembre 2005 78 Affichage et restitution (2) Profil en long

40. 40 S. Thry - IST, novembre 2005 79 Affichage et restitution (3) Carte thmatique S. Thry - IST, novembre 2005 80 Affichage et Restitution (4) Image

41. 41 S. Thry - IST, novembre 2005 81 Affichage et Restitution (5) Tableau S. Thry - IST, novembre 2005 82 Affichage et Restitution (6) Graphiques Teneur en MES 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 1971 1973 1975 1977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 Teneur en MES