Chapitre 1. Introduction aux systèmes d information géographiques. «80 % des données existantes ont une composante géographique» Introduction aux SIG

Transcription

1 Chapitre 1 Introduction aux systèmes d information géographiques «80 % des données existantes ont une composante géographique» Introduction aux SIG 1.1 Modélisation des objets géographiques 1.2 Acquisition des données 1.3 Supports de sortie 1.4 Requêtes spatiales 1.5 Indexation spatiale 1.6 Aspects juridiques et éthiques 1.7 Conclusions 1.1 Modélisation des objets géographiques Objets discrets Généralement modélisés par leurs contours Problème du modèle mathématique à appliquer : Point, ligne, surface, volume Modélisation des attributs Phénomènes continus Modélisés comme champs continus Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 1

2 Modélisation des objets géographiques Domaines d application Positionnement àla surface de la terre Caractéristiques des données géographiques et cartographie Outils de modélisation des données Domaines d application en milieu urbain en aménagement gestion de l'espace rural et forestier milieu littoral et maritime infrastructures de transports ressources minières et industrie pour les sciences de la terre archéologie gestion de grandes propriétés etc Géodésie Positionnement Géodésie La terre n est pas tout àfait ronde Les coordonnées ellipsoïde Projections du globe terrestre altitude géoide Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 2

3 Coordonnées Centre des coordonnées Méridien degreenwich λ Pôle Nord 30 Est 50 Nord Longitude (méridien) Point sur la Terre dont on veut connaître les coordonnées Latitude (parallèle) φ Centre de la Terre (0, 0 ) Equateur Origine des coordonnées Pôle Sud Pôle Nord Projections du globe EQUATEUR Projection du globe terrestre sur un cylindre tangent Fragment du cylindre développé Pôle Sud PROJECTION MERCATOR Projections du géoide Méridien à +3 Méridien tangent Méridien à -3 Projection du globe terrestre Fagment sur un cylindre tangent du cylindre développé PROJECTION MERCATOR TRANVERSE (UTM) Parallèle de contact Projection du globe terrestre Fragment sur un cône tangent du cône développé PROJECTION LAMBERT Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 3

4 Déformations selon les projections Déformations selon les projections Le Goenland semble grand comme l Afrique alors qu il lui est 14 fois plus petit!! Chemin miminum Découpage Lambert Lambert I (Nord) Lambert II (Centre) Lambert III (Sud) Lambert IV (Corse) Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 4

5 Couches de données Multiplicité des représentations Rue représentée par un graphe Responsable du trafic routier Rue représentée par deux polylignes Responsable du cadastre Responsable du revêtement des chaussées Rue représentée par une surface Rue Responsable des réseaux souterrains Rue représentée comme un volume y Structures géomatiques courantes Ensemble de points (avec coordonnées) x Ensemble de noeuds d'un graphe Structure et topologie Segment Segment de droite de ligne courbe Polyligne ouverte Mixtiligne ou ligne brisée ouverte Lien non orienté (arête) Chaîne d'arêtes Lien orienté (arc) Chaîne d'arcs Structure de tessellation Structure de réseau Polyligne fermée Chaîne fermée de segments de courbes Chaîne fermée d'arêtes (cycle) Chaîne fermée d'arcs (circuit) Polygone connexe Polygone non connexe (avec un trou et une île) Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 5

6 Formats géographiques Modèles du monde réel Format vecteur Format raster Modèle de l'opengis Modèle de l'opengis Consortium de sociétés, de centres de recherches et d'administration Intéropérabilitédes applications géographiques Propositions de normalisations Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 6

7 Triangulation Phénomènes continus n Triangle Segment Sommet - x, y, z + règle de point dans un triangle n Triangle Sommet - x, y, z + règle de point dans un triangle Théorie des champs continus Champs scalaires Champs vectoriels Applications Météorologie Mer Terrains, sols Etc. Exemples Modélisation des champs continus Impossible de connaître la fonction partout Existence de points échantillons Nécessité de fonctions d'interpolation Modélisation (deux niveaux) Champ comme objet (ex Température d'une région) Champ comme type abstrait de données (ex valeur de la température en un point) Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 7

8 1.2 Acquisition des données Théodolite Levés topographiques Photos aériennes Images satellitaires GPS Digitalisation Scannage de plans Import de fichiers Photos aériennes Overlapping City boundaries Flight trajectory Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 8

9 Exemple de canevas de photos aériennes Photos aériennes Caractéristiques altitude : de 5 00 à3 000 mètres taille des photos 23 cm 23 cm Echelle du 1:3 000 au 1: paire de photos ==> relief Parallaxe ==> détermination des altitudes Photo-interprétation Mosaïquage et Orthophotos(exemples) Distorsions House A House B Caméra A a b a' b' C D B E Plan de la photo Sol irrégulier Déformations House A House B Road Tree AERIAL PHOTO House B looks bigger than House A. A' B' Nadir Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 9

10 Coordonnées au sol / coordonnées des toitures Coordonnées du toit Réalisation des orthophotoplans Recouvrement : 60 % longitudinal 25 % latéral Sélection des points de contrôle Transformations élastiques Correction des distorsions Coupage le long des routes, rivières, etc. Coordonnées au sol Rééquilibrage des couleurs Déformation des images Avant Après Avant Après Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 10

11 Mosaïquage pour orthophoto Drapage sur MNT Laser range scanning Principe (a) (b) Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 11

12 La Part-Dieu Images satellite Ondes Principes de la télédétection 30 cm 3 cm 0,3 cm 300 µm 30 µm 3 µm 0,3 µm 300 Å 30 Å 3 Å 0,3 Å 0,003 Å 1 GHz 10 GHz 100 GHz Hz Hz Hz Hz Hz Hyperfréquences Infrarouge Ultraviolet Rayons X Rayon Gamma Lointain Thermique Proche Visible 0,7 µm Rouge Orangé Jaune Vert Bleu Violet 0,4 µm Radiations solaires réfléchies Filtrage Emissions propres Radiations solaires Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 12

13 Orbite polaire Satellites et utilisations Orbite géostationnaire Trace au sol Phases ascendantes et descendantes Passages consécutifs Amplitude spatiale km 1000 km 100 km 10 km 1 km 1 hm 1 dam 1 m Circulation Effet de atmosphérique Circulation serre METEOSAT océanique Glaciations NOAA LANDSAT Morphogénèse Variations Pédogénèse humidité Erosion Volcanisme Agriculture Mesures au sol Mésoclimat Biotopes Microclimat Espèces Aménagement urbanisme SPOT Satellites militaires Photographies aériennes Minutes Heures Jours Mois Années Siècles Echelle temporelle Réflectance(signature spectrale) Images satellites Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 13

14 Brésil : agencement des images satellites Ikonos Global Positioning System Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 14

15 Principes de GPS GPS différentiel Position of the receiver Satellite #1 Satellite #2 Set of points at the same distance of satellite #1 Set of points at the same distance of satellites #2 and 3 Satellite #3 Mesures par GPS (a) Mesures par capteurs fixes (b) (a) (b) Sensor Antenna Computer Real time mapping device (c) Information system Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 15

16 Mesures par capteurs mobiles Voix localisée GPS satellite Links to a control center Urban Measuring Unit (a) (b) Digitalisation Erreurs courantes en digitalisation A A' Parcelle 1 Parcelle 2 B B' C F Parcelle 4 K E D N H Parcelle 3 G Parcelle 5 J M L I Nécessité d'un partage de la géométrie et de la topologie Nécessité d'accrochage d'un noeud sur un arc Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 16

17 (a) Echelles et précision pour l'acquisition Scannage de plans (relatif) Scannage de plans Levés terrestres Digitilisation (relatif)) Photos aériennes Images satellites Segments originaux Apparence après scannage (Format raster) Choix des échelles mm 1 cm 10 cm 1 m 10 m Planification urbaine et régionale Etudes d'environnement Tourisme Analyse de risques Cadastre Réseaux souterrains Etudes de transport Echelles inversées Précision Génie civil Routes Après squelettisation et vectorisation (format vecteur) Forêts et cultures Rivières A proximité des bâtiments Géologie (b) Echelles et précision pour les usages 1.3 Supports de sortie Qu est ce qu une carte? Différents périphériques Niveau interactivité Sémiologie graphique Qu est ce qu une carte? Des choix - scientifiques - subjectifs - empiriques Des buts spécifiques - présenter et transmettre un message - fournir des localisations - explorer des répartitions - révèler desrelations visibles ou non visibles - échanger, se concerter Une représentation géométrique - d une planète(terre) - avec des positions relatives - avec des attributs non-spatiaux Un modèle construit impliquant - une réduction(d échelle) - une sélection - une généralisation - une projection La carte Un temps donnét avec un contexte - historique -social -technique - scientifique Un modèle grahique utilisant des signes -visuels -sonores -tactiles Un support - permanent (papier, mur) - temporaire(écran) -virtuel Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 17

18 Exemples Généralisation des formes géographiques Cartogrammes Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 18

19 Traceurs à plat Table traçante à rouleau Salle de contrôle NASA Génératrice de maquettes de terrain Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 19

20 Interface tangible de Geodan Cartographie Théorie d Itten sur le choix des couleurs Sémiologie graphique de Bertin Cartes animées interactives etc. Harmonie des couleurs selon Itten Symboles des Jeux Olympiques Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 20

21 Variables visuelles de Bertin Bruit d une mobylette 1.4 Requêtes spatiales Exemple de requêtes spatiales Requêtes spatiales élémentaires Requêtes d'analyse spatiale Requêtes topologiques Conclusion Exemple de requêtes spatiales Qui y a-t-il en ce point? Qui y a-t-il dans cette zone? Quel est le meilleur chemin de Lisbonne à Varsovie? Quels sont les pays frontaliers de l Autriche? Quels sont les départements traversés par la Garonne? Quel est l endroit le plus pollué? Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 21

22 Exemple de requête spatiale Requêtes spatiales élémentaires zone #1 457 zone #4 709 zone #2 784 zone #3 539 n zone Nombre d'arbres Quel est le nombre d'arbres dans cette zone arbitrairement définie? Requête de point Requête de ligne Requête de région Requête de région tridimensionnelle Délimitation de zones tampon Requête ponctuelle Requête de région A B E A B E C D y x C D Qui y a-t-il dans cette région? Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 22

23 Zone tampon définie àpartir de lignes parallèles Zone tampon Définition de zone tampon pour un polygone dentelé Requêtes d'analyse spatiale Recherche d'un point optimal Cheminement Découpages de zones Exemple : délimitation des eaux territoriales Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 23

24 Implantation d'un nouvel hôpital Recherche du plus court chemin dans un graphe Zone 5 Zone 2 Zone 1 Zone 3 Zone 4 Lieux candidats Localisation des empêchements A B Chemin dans un graphe hiérarchisé Chemins minimaux dans un polygone C1 A B C2 K C J I H G D F L A B M E Comment aller de A à B? Comment aller de A àb? Comment aller de C àd? Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 24

25 Chemin dans un terrain Requêtes topologiques A Requêtes sur le positionnement et le voisinage des objets "touche", "intersecte", etc. B Objet A : intérieur : A A extérieur : A frontière : δa B Modèle des 9 intersections d Egenhofer A B A A B B A B B B A B A B A B R(A,B) = A A B A B A B A A B A B A B Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 25

26 Conclusion Importance des requêtes spatiales Typologie des requêtes Importance des temps de réponse Nécessité de système d indexation Usage pour SIG et bases d'images 1.5 Indexation spatiale L'indexation dans les BD relationnelles Généralités sur l'indexation spatiale Indexation par courbes emplissant tout un espace Indexation par quadtree Indexation par arbres de rectangles Indexation dans les SIG L'indexation dans les bases de données relationnelles Indexation Accélérateur d accès Sans index : balayage séquentiel de toute la BD très consommateur de temps Nécessitéde structure de données adéquates et de procédures d accès Clés Adresses Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 26

27 Index niveau Hiérarchie d'index Index niveau Index niveau Données aaaa bbbb cccc dddd eeee gggg hhhh kkkk... Bloc Bloc Généralités sur l'indexation spatiale Accélérateur d accès aux données spatiales Exemple initial : plan de ville localisation de type mots croisés «rue bleue»en C5 Exemple Indexation par courbes emplissant tout un espace Courbe passant par tous les points d un espace Impossible en géométrie euclidienne Vrai en géométrie de Peanooù l espace àcouvrir est 2D un point est une petite surface (carrée) une ligne a une «épaisseur» Courbes en N de Peano(Morton), ou d Hilbert Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 27

28 Courbes de Hilbert et de Peano Exemple d'indexation spatiale pour un petit territoire E 5 F 4 6 A 1 3 D B Clés de Peano Côté Objets G C 0 4 E 0 2 D 1 1 A 4 1 F 8 2 C 15 1 B,G Indexation par quadtree Exemple d'index spatial organiséavec des quadtrees hiérarchiques Quadtree = subdivision récursive d un carré en quatre carrés plus petits Arbre quaternaire Arbre quadratiques Tétra-arbres Quadrants arborescents 0 E 0 D 4 8 C 12 1 A 4 F 15 G,B Niveau 1 Côté longueur 4 Niveau 2 côté longueur 2 Niveau 3 côté longueur 1 Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 28

29 Indexation par arbres de rectangles Exemple de r-arbre Arbres de rectangles (r-arbres) A F G B J K H Arbres améliorés de rectangles (r + -arbres) D E M I N C L A B C D E F G H I J K L M N Exemple de r + -arbre Conclusion sur l indexation spatiale I A C J Importance des méthodes d accès spatial Organisation des données F B D1 D2 E G Evolution vers le spatio-temporel Evolution vers le 3D Evolution vers les champs continus I J A B F D1 C E G D2 Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 29

30 1.6 Aspects juridiques et éthiques Existence de lieux sensibles Propriétés des données Acquisition, Usage Modèle économique : Gratuit / payant Confidentialité Responsabilités (qualité) Ambivalence Big Brother / participation des citoyens 1.7 Conclusions 80 % des informations dans le monde ont une composante spatiale Les BD géographiques parmi les plus grosses du monde Infrastructures de données Elargissement à d autres domaines d application Géomarketing Gestion de bâtiment, de grandes propriétés Location-BasedServices Systèmes d information pervasifs Chapitre 1 : Introduction aux Systèmes d Information Géographique 30