introduction aux sig

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Introduction aux SIG

Sylvain Théry – UMR 7619 [email protected]

S. Théry - IST, novembre 2005 2

Sources utilisées

Ce document s’inspire en partie de supports de cours réalisés par

L’UMR Sisyphe (CNRS-Paris VI)L’UMR Prodig (CNRS-Paris I)L’Institut National Agronomique Paris-Grignon L’École Nationale des Sciences Géographiques L’Université de Genève

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Sommaire

IntroductionNotions de géodésiesLes grands types de donnéesNotions de bases de donnéesLes fonctions du SIGLes principaux logiciels


Introduction (1)

SIG = Système d’Information géographiqueUn Système d'Information Géographique est un ensemble de données numériques, localisées géographiquement et structurées à l'intérieur d'un système de traitement informatique comprenant des modules fonctionnels permettant de construire, de modifier, d'interroger, de représenter cartographiquement les données, selon des critères sémantiques et spatiaux.

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Introduction (2)

SIG = Système d’Information géographique


Sommaire

Les fonctions d’un SIG (les 5A)

Abstraction, Acquisition, Archivage, Analyse et Affichage de données à caractère spatial

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Sommaire

IntroductionNotions de géodésiesLes grands types de donnéesNotions de bases de donnéesLes fonctions du SIG


Notions de géodésie (1)

Les données utilisées dans les SIG ont un caractère spatial définie par une géométrie

La localisation de cette géométrie est exprimée soit dans l’espace géographique non-projeté (latitude/longitude)soit dans un système de projection

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Pourquoi a-t-on besoin des projections cartographiques ?

Pour se repérer,Pour permettre la comparaison précise de la forme, l’aire, la distance ou la direction des objets sur une carte,Pour superposer des objets de thèmes différents dans le logiciel SIG.


Notions de géodésie (4)Pourquoi a-t-on besoin des projections cartographiques ?

carte du XVè siècle basée sur les texte de Ptolémée (110-160 Après JC ?)

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Pour comprendre la notion de projection, il convient de connaître quelques concepts de géodésie

Géodésie : science qui étudie la mesure des dimensions et la forme de la terre. Cette science intervient en amont de la cartographie et permet (entre autre) d’assurer le positionnement des bases de données géographiques nécessaire aux SIG.



La forme de la terre est régit par un phénomène physique fondamentale, la pesanteur (force attractive résultante exercée sur chaque point matériel). De ce fait, la terre est assimilée àune sphère de forme imparfaite, le géoïde.

Définition du géoïde : surface équipotentielle des forces de la pesanteur représentée par la surface moyenne du niveau des mers qui se prolonge sous les continents.

Cette surface théorique se rapproche le plus de la forme réelle de la terre puisque la surface des océans (les ¾ du globe) se confond avec le géoïde.

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Le géoïde est essentiellement utilisé qu'en altimétrie. Pour traiter la représentation planimétrique de la surface de la terre on assimile le géoïde à un ellipsoïde de révolution (c'est à dire une sphère aplatie aux pôles).

L'ellipsoïde est une surface mathématique, la plus proche de la surface de la terre, abstraction faite du relief. C’est essentiellement cette notion qui est utilisédans le domaine des SIG et de la cartographie.


Notions de géodésie (6)Géoïde : Surface théorique la plus proche de la surface de la terre.Ellipsoïde : Surface mathématique la plus proche du géoïde.

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Pour calculer le réseau géodésique dont dépend sa cartographie, chaque pays choisi un ellipsoïde propre, aussi voisin que possible du géoïde sur l'étendu de son territoire.

Pour la France, l'ellipsoïde retenu est celui de Clarke 1880, tangent au géoïde àParis. Cet ellipsoïde, comme tout ellipsoïde, est associé à un Datum.



Un Datum est un système géodésique de référence, il existe des systèmes locaux et des systèmes spatiaux (mondiaux). Il s’agit d’un repère affine à 3 dimensions dont le centre est proche du centre des masses de la terre. (d’une dizaine de mètre à moins de 500 mètres).

Un système géodésique de référence local est donc caractérisépar :- un ellipsoïde

- un point fondamental (point pour lequel l’ellipsoïde et le géoïde sont confondu)- un méridien d’origine qui correspond à l’origine des longitudes, - une représentation plane

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Exemple de système géodésique local utilisé actuellement en France :

– Nouvelle Triangulation Française NTF

Ellipsoïde : Clarke 1880Point fondamental : Croix du panthéon à Paris.Méridien origine : Paris (situé à 2°20’14.025’’ à l’Est de celui de

Greenwich).Représentation plane associée : Lambert Zone I, II, III, IV.


Notions de géodésie (10)Exemple de système géodésique spatial utilisé en France :

Réseau Géodésique Français RGF 93, Réseau de Référence Français (RRF) : 23 sites.Réseau de Base Français (RBF) densification du précédent (1009 sites).Réseau de Détail Français (RDF), constitué des points de la NTF, la précision est de 5 à 10 cm

Méridien d’origine (origine des longitudes) Greenwich,Ellipsoïde associé : IAG-GRS80, Projection associée : projection conique conforme sécante appelé

« Lambert 93 ».

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Notions de géodésie (11)L’ensemble des notions abordées concernent la représentation planimétrique (ellipsoïde) et altimétrique (géoïde). Si l’on veut représenter une portion de la surface de la terre sur un plan, il faut établir une correspondance (la plus fidèle possible) entre les points de la portion de l’ellipsoïde à représenter et ceux du plan.



L’espace géographique, matérialisé par l’ellipsoïde, est un espace courbe. Pour passer de cet espace courbe à une carte dessinée sur un plan on utilise une projection cartographique. C’est à dire une transformation mathématique faisant correspondre un point de l’ellipsoïde à un point du plan.

Cette transformation introduit nécessairement des déformations, c’est à dire des déplacements relatifs des points de la surface terrestre rapportés à l’ellipsoïde de référence. Cependant il est possible de minimiser certaines déformations, afin de conserver les propriétés correspondantes.

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Notions de géodésie (13)Les projections peuvent être classées en fonction des distorsions minimisés :

Conforme : conserve localement les angles et les formes. Exclusivement utilisé en géodésie et topographie. Par contre ce type de projection modifie les rapports de surface.

Equivalente : conservation des rapport de surfaces. Projection sans intérêt du point de vue topographique car les longueurs mais aussi les angles sont altérés. Utilisé pour la cartographie.

Aphylactique : ne conserve ni les angles (conforme) ni les surfaces (équivalente). Les projections équidistantes (ne déforme pas les distances) sont classées dans cette catégorie.



Par ailleurs aucune projection ne conserve les longueurs sur l’ensemble du domaine représenté, effectivement l’ellipsoïde ne pouvant se développer sur une surface plane, chaque longueur subie une altération qui dépend de se position sur l’ellipsoïde. Chaque système de projection est donc défini afin de minimiser cette altération linéaire.

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Notions de géodésie (15)La projection azimutale consiste à projeter une portion de l’ellipsoïde sur un plan tangent à la sphère (ce type de projection est aussi appelé projection perspective ou projection zénithale).

La projection conique : la surface projetée est un cône tangent ou sécant à la sphère.

La projection cylindrique : la surface de référence à la forme d’un cylindre, tangent ou sécant à l’ellipsoïde.



Le choix d’un système de projection doit être effectué en fonction des besoins auxquels il doit répondre. Par exemple :si une carte doit permettre des comparaisons de surface, on optera pour une projection qui conserve les superficies: projection équivalente. si une carte doit servir à la navigation maritime ou aérienne, on choisira une projection qui conserve les angles, les directions:projection conforme. si une carte doit représenter les distances réelles entre différents sites, on choisira une projection qui respecte les rapports de distances : projection équidistante.

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Sommaire



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Sommaire



Types de données spatiales (1)

On distingue essentiellement deux types de données spatiales

– Les données vectorielles– Les données images (ou raster)

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Données vecteurs (1)

Les données vecteur sont un ensemble d'objets géographiques représentés chacun par des primitives graphiques : le point et l'arc. Les arcs se connectent à leur extrémité ou nœud pour former des lignes et des polygones.



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Un parcellaire ou tout autre zonage thématique est constitué de polygones : ce sont des données surfaciques. Des réseaux techniques, des cours d'eau ou des voies sont représentés par des lignes : ce sont des données linéaires ou filaires. Des puits, des points de sondage, des sièges d'exploitation sont représentés par des points : ce sont des données ponctuelles.



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Elles définissent les propriétés des différentes entités et figurent dans le modèle conceptuel de données. Elles sont de type alphanumériques (ce sont soit du texte, soit des chiffres). Elles peuvent être qualitatives (nom de la parcelle) ou quantitatives (rendement d’une parcelle agricole).

Les données attributaires


Données vecteurs (6)Les données attributaires

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Données vecteurs (7)Lien dynamique données attributaires et graphiques

Il peut se traduire de deux manières :

1 - A chaque fois que l'on pointe GRAPHIQUEMENT sur l'objet d'une couche (un campement, une parcelle...) on connait les propriétés de l'objet pointé.

2 - A chaque fois que l'on pointe dans une table attributaire sur un objet, on sait immédiatement où se situe cet objet sur les plans graphiques.


Données Raster (1)

Ce sont les données que l'on obtient à partir d'images satellitales, de photographies aériennes numériques (orthophoto) ou de modèles numériques de terrain. Une image raster est une matrice ou grille à deux dimensions où le pas de la maille (ou pixel) représente la résolution spatiale. Elle correspond àla taille des plus petits objets que l'on peut identifier. (ex : 10 m pour les images Spot panchromatique).

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Données Raster (2)


Données Raster (3)

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Données Raster (4)

On peut distinguer deux type de données Raster :

- les images (utilisées essentiellement pour de la représentation cartographique)

- les grilles (utilisé pour du calcul et de la modélisation)


Données Raster (5)

Exemple : photo aérienne, scan 25.

L’information contenu dans la matrice de pixel concerne la couleur de représentation de l’information.Cette information n’est pas directement accessible.

Les images

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Données Raster (6)

Exemple : Modèle numérique de terrain.

L’information contenu dans la matrice de pixel concerne une valeur quantitative (ex. Altitude).Cette information peut être vue et modifiée dans la table attributaire

Les grilles (ou grids)


Sommaire


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Base de données géographiques (1)

Dans un SIG, les données raster ou vecteur sont organisés au sein d’une base de données qui se définie par la zone d’étude qu’elle concerne.

La base de données contient donc un découpage thématique de la zone d'étude qui se traduit par un ensemble de couches superposables.



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Base de données géographiques (3)Les données concernant la zone d'étude et sa problématique doivent être structurées pour être compréhensibles par des logiciels de type SIG.

La constitution d’une BD géographique passe donc par– Une phase d' analyse

Elle consiste à définir le "pour quoi ?" du futur système d'informations, c'est-à-dire sa finalité. A quelle(s) problématique(s) doit-il répondre ? Dans quelles mesures peut-il y répondre ?

– Une phase de construction du modèle conceptuel de données Elle consiste à structurer les données du SIG en construisant un modèle, appelé modèle conceptuel de données (MCD) traduisant les finalités du futur système.


Base de données géographiques (4)Exemple de Modèle Conceptuel de Données

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Base de données géographiques (6)Modèle Conceptuel de Données

Une démarche simple et méthodique de construction consiste à :– établir une liste de données à partir des enquêtes, expression

des besoins, cahier des charges, étude de faisabilité, et plus généralement de tout support d'information disponible.

– procéder à l'épuration des polysèmes, des synonymes.– définir des identifiants pour chaque entité.– définir les associations entre les différentes entités– écrire les cardinalités des couples entités-associations



Base de données Itinéraires TechniquesINRA-SAD Mirecourt – PIREN-Seine

Exemple de Modèle Physique de Données

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Sommaire




Sommaire


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Abstraction (1)Les systèmes d’information géographique sont utilisés pour réaliser des descriptions du territoire permettant d’obtenir l’information nécessaire pour répondre à une problématique.

Ils contiennent cette information sous plusieurs formes dont certaines sont des représentations d’éléments ou de phénomènes existants.

Ces représentations cherchent à reproduire le plus fidèlement possible la réalité d’une manière compréhensible par les utilisateurs et utilisable informatiquement dans le but de répondre à des objectifs donnés.

Le monde réel est ainsi modélisé en fonction des besoins, ce quipermet de définir précisément le contenu du système.


Abstraction (2)Le mode de représentation du terrain n’est pas neutre

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Abstraction (3)La représentation du terrain est déterminée par les objectifs du système


Acquisition (1)Données Raster

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Acquisition (2)Données Vecteur : numérisation sur écran


Acquisition (3)Données Vecteur : numérisation sur document papier

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Acquisition (4)Acquisition de données sur le terrain


Acquisition (5)Données externes obtenues auprès de fournisseurs

BD ParcellaireBD-Objets-Geol 250Exemples

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Archivage (1)Le SIG sert à stocker les données et à les mettre à la disposition des utilisateurs du système

Serveur

BD

Utilisateurs

Consultation

Mise à jour

Sauvegarde


Archivage (2)

Centraliser les données de manière norméeRelier ces données les unes aux autresPermettre leur diffusion

Intérêts :– assurer la cohérence et l’intégrité des données– partager les bases– simplifier leur mise à jour

Objectifs

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Analyse (1)Croisement de couche vecteur par analyse spatiale


Analyse (2)Géotraitements sur des vecteurs

On distingue essentiellement

L’agrégation

Le regroupement

Le découpage

L’intersection

L’union

La jointure spatiale

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Analyse (3)L’agrégation (Dissolve)

Permet d’assembler des entités d’un thème, si la valeur du champ servant àl’agrégation est la même pour les entités. Le nouveau thème ainsi créépossédera les attributs du premier thème.


Analyse (4)Le regroupement (Merge)

Permet de combiner les entités de 2 ou plusieurs thèmes. Les thèmes doivent être de même type de fichier de forme. (combine 2 thèmes de polygones s polygones

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Analyse (5)Le découpage (Clip)

Permet de découper une partie d’un thème d’entités ponctuels, linéaires ou surfacique en se basant sur l’extension spatiale d’un thème de polygones.


Analyse (6)L’intersection (Intersect)

Permet de créer un thème intégrant les objets de 2 thèmes, en ne conservant que les objets compris dans l’extension spatiale commune au 2 thèmes. Les attributs des objets du thème créé seront ceux des 2 thèmes intersectés.

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Analyse (7)L’union (Union)

Permet de créer un nouveau thème contenant les entités de 2 thèmes de polygones ainsi que leurs attributs.


Analyse (8)La jointure spatiale (Assign data by location)

Permet d’attribuer les données d’un thème à la table d’un autre thème, lorsque les entités partagent la même extension spatiale.

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Analyse (9)Croisement de couche raster par analyse spatiale


Analyse (10)Création d’information en dérivant des couches raster

Création de courbes de niveau

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Analyse (11)Création d’information en dérivant des couches raster

Création de grilles d’accumulation et de direction pour obtenir une couverture de bassin versant et de drainage


Analyse (12)Analyse sur linéaire vecteurOrdination de Strahler

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Analyse (13)Analyse tabulaire et statistique

La requête tabulaire (non spatiale) est une phrase logique de type :propriété opérateur valeur

exemples :1. superficie > 102. superficie > 10 et pente < 53. 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



Ces analyses se font par le biais de requêtes sur les bases de données attributaires.

Le langage de formalisation de ces requêtes est généralement le SQL (simple query language) ou un dérivé.

ex : select * from ‘parcelles’ where ‘s2_km2’ >200

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Affichage et restitution (1)

Après traitement des données Les systèmes d’information géographique sont utilisés pour restituter les données sous différentes formes :

Cartes,

Graphiques,

Tables statistiques,

Ou tout autre fichier informatique exportable vers d'autres applications.

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Affichage et restitution (2)Carte de localisation


Affichage et restitution (2)Profil en long

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Affichage et restitution (3)

Carte thématique


Affichage et Restitution (4)

Image

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Tableau



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

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