ArcGIS pour les Nuls. 1. Introduction à la géomatique

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1 ArcGIS pour les Nuls 1. Introduction à la géomatique

2 PLAN Qu est-ce qu un SIG? Vocabulaire géographique Modèle vectoriel Modèle matriciel Géoréférence et systèmes de coordonnées

3 GÉOMATIQUE contraction des termes géographie et informatique Branche de la géographie qui a recours à l informatique L'ensemble des outils et méthodes permettant d'acquérir, de représenter, d'analyser et d'intégrer des données géographiques Terme né dans les années 60 au Québec Géomaticien = Gestionnaire de données spatiales

4 SIG Système d information géographique C est un système d information composé de : Ordinateurs et périphériques Logiciels spécialisés Données numériques Personnel qualifié Utilisateurs Qui gère de l information de nature géographique C est un système informatique permettant : l acquisition la gestion l analyse la visualisation de données géographiques numériques Pour étudier les phénomènes se produisant sur la terre

5 Pourquoi utiliser un SIG? Système d information géographique Pour intégrer des données multisources (cartes, photos, images, ) Pour faire des requêtes et visualiser les résultats Pour faire de la cartographie Pour faire des analyse spatiales

6 Technologie hardware + software GESTION DU TERRITOIRE Données SIG Information Expertise liveware Collection de faits et d observations recueillies sur des choses, des phénomènes, des lieux représentés sous la forme de valeurs numériques Résultat du traitement des données présenté sous une forme utile à l utilisateur Connaissance Compréhension d un phénomène résultant de l analyse de l information. Valeur ajoutée ++ Prise de décision

7 Le SIG comme outil d aide à la décision GESTION DU TERRITOIRE Où? Quoi? Pourquoi? Comment? Scénario futur?

8 Composantes d un SIG 3. logiciel 2. matériel 4. méthodes 5. acteurs SIG 1. données géographiques 6. territoire

9 1. Données géographiques Données numériques localisées dans l espace selon un système Coordonnées géographiques (X,Y) ou (X,Y,Z) Ou Coordonnées projetées (mètres)

10 1. Données géographiques FONCTION CLÉ: Le SIG a la capacité de superposer plusieurs cartes / jeux de données Ceci permet de croiser géographiquement les données

11 Données spatiales Couches Une couche de données est un ensemble d entités spatiales avec leurs localisation, topologie (point, ligne, polygone) et attributs Ces trois couches se superposeront parfaitement dans la mesure où leurs données respectives sont géoréférencées avec la même précision

12 Données spatiales Métadonnées Données sur les données Description et détails sur le jeu de données. Devrait contenir l origine, l auteur, les détails de sa structure (codes, lexique, abbréviations) Permet à d autres utilisateurs de comprendre et d utiliser les données (en vue de partage)

13 FORMATS DE DONNÉES Vectoriel Shape Format propriétaire d ESRI (ArcView, ArcGIS) Geodatabase Nouveau format d ArcGIS, mais encore peu adopté Coverage Format ancien de ArcInfo E00 (ungenerate) Format d Import/Export d ArcInfo (comme un.zip) MID/MIF (MapInfo Interchange File) Format d Import/Export de MapInfo DLG (Digital Line Graphs) Utilisé pour les cartes topographiques (USGS) DXF (Data Exchange Format) Format d Import/Export d Autocad

14 FORMATS DE DONNÉES Shapefile (fichier de formes) feux_7211.dbf données attributaires feux_7211.prj info sur projection feux_7211.sbn fichier index feux_7211.sbx fichier index feux_7211.shp données spatiales (topologie) feux_7211.shx fichier index *Attention à avoir tous les fichiers pour exporter!

15 FORMATS DE DONNÉES Matriciel GRID Format standard des matrices d ESRI BMP (Bitmap) Standard d image dans les applications MicroSoft Windows TIFF (Tag Image File Format) Utilisé pour le stockage d images numériques GEOTIFF Extension du format TIFF qui contient de l information sur la géoréférence des données facilitant ainsi leur échange entre différents SIG GIF, JPEG Utilisés pour la transmission d images sur le WEB

16 La notion d échelle L échelle est le rapport entre la mesure de la taille d un objet réel et la mesure de sa représentation (carte, maquette, etc.) Elle est exprimée de façon numérique généralement fractionnaire Une unité sur la carte = Une unité sur le terrain Ex.: 1/ cm sur la carte = cm ou 50 m sur le terrain Ex.: 1 : m sur la maquette = m ou 1000 km en réel Une carte à petite échelle représente un grand territoire Une carte à grande échelle représente un petit territoire

17 La notion d échelle Échelle numérique Toujours exprimée par une fraction et le numérateur est toujours 1. Le dénominateur indique le facteur de réduction. 1/ ou 1: ou Échelle graphique L ensemble de lignes droites représentant sur la carte l échelle numérique. Cette échelle est divisée en différentes unités de mesure et parfois en deux parties : à gauche du zéro, le talon de l échelle et à droite du zéro, l échelle. On favorise l échelle graphique

18 Deux modèles de structures de données géographiques SIG structure vectorielle structure matricielle

19 MODÈLE VECTORIEL Structure qui permet de manipuler et de représenter les données graphiques d après les coordonnées de points individuels auxquels on peut ajouter des attributs. On distingue trois principaux types de composantes: point, ligne, polygone Définis par la géométrie euclidienne à 2 dimensions Y X

20 MODÈLE VECTORIEL Composante Représentation graphique Représentation dans un fichier Base de données reliées aux éléments vectoriels point ligne id,x,y id, N x 1,y 1 x 2,y 2 Identificateur (id) Attribut #1 (Nom) Attribut #2 (Population)... x N,y N x 1,y 1 est différent de x N,y N 1 Montréal Westmount polygone id : N : id, N x 1,y 1 x 2,y 2... x N,y N x 1,y 1 est identique à x N,y N identificateur nombre de points définissants l objet élément dans la carte = 1 ligne dans la table

21 MODÈLE VECTORIEL En mode vecteur les primitives géométriques se ramènent à un tableau de coordonnées X,Y définissant les vertex et nœuds des formes. vecteur vertex

22 MODÈLE VECTORIEL TOPOLOGIE La topologie est une description des relations spatiales des objets entre eux. Ex. : est à côté de inclu intersecte Entités distinctes Source: Goodchild et al. (1996) Entités occupant tout l espace Entités qui se superposent

23 MODÈLE VECTORIEL Distribution irrégulière des entités spatiales Représentation géométrique des entités Frontières explicites Localisation précise et unique Attributs et entités reliés par un numéro d identification Représentation très efficace de la topologie

24 MODÈLE MATRICIEL Structure qui permet de manipuler et de représenter l'information cartographique à partir d'une matrice de cellules (pixels) qui possèdent certains attributs de teinte et de couleur. L espace géographique se trouve subdivisé de façon régulière en cellules de même forme et de même dimension.

25 La localisation est définie par la position en ligne et en colonne dans la matrice, les coordonnées géographiques ou projetées d un point de référence et la dimension de la cellule (informations contenues dans le header ) La valeur numérique attribuée à chaque cellule correspond à la valeur d attribut (un seul) Les démarcations se produisant aux limites des ensembles de cellules de même valeur ne correspondent pas nécessairement aux frontières des entités sur le terrain Matrice (raster) Table de couleurs Table d attributs (légende ) Valeurs de la matrice Couleur (r,v,b) 0 (255,255,255) Valeurs de la matrice 0 Attribut 1 (128,128,128) 2 (64,64,64) 1 Municipalité "A" 2 Municipalité "B"

26 Essentiellement une matrice de valeurs ou une image (ou raster) formée de pixels (une valeur par pixel) Modélisation de l information continue (structures difficilement identifiable à l œil, champs) Photos, élévation, température, etc

27 Exemples de données matricielles image satellite photo. aérienne MNA modèle numérique d altitude Cartes scannées

28 Exemples de données matricielles

29 Une image = un fichier = une variable = une couche Image1 - Température Image2 - Élévation Image3 - Photo Souvent plusieurs bandes par images Les images couleurs, par exemple, sont composées d une bande de rouge, une bande de vert et une bande de bleu

30 Précision défini par la résolution «cell size» Vectoriel Matriciels Quickbird (0.6m) Landsat ETM+ Pansharpened (15m) Landsat ETM+ (30m)

31 Codage des valeurs numériques Niveaux de gris BIT : Binary Digit valeur binaire 0 ou 1 Codage sur 1 bit : 2 1 : 2 niveaux [0 1] Codage sur 4 bit : 2 4 : 16 niveaux [0,1,2.. 15] Codage sur 8 bit : 2 8 : 256 niveaux [0,1, ] Codage sur 16 bit : 2 16 : niveaux [0,1, ]

32 QUEL MODÈLE UTILISER? Les modèles vectoriel et matriciel offrent deux représentations distinctes et complémentaires du monde réel, chacun devant être adapté à l application particulière de l utilisateur Deux critères principaux doivent guider le choix du modèle : le type d analyse à réaliser l échelle d étude

33 Massif forestier dans une carte d occupation du sol VECTORIEL MATRICIEL Forme vectorielle = liste de points(x,y) Table de données associée au vecteur Grille = grid = matrice Pas de table : 1 valeur par cellule de la matrice couche vecteur = n champs = n attributs = n informations 1 couche raster = 1 seule information / pixel

34 Massif forestier dans une carte d occupation du sol VECTORIEL Structure objet représentation explicite des objets MATRICIEL Pas de structure objet Représentation implicite des objets En cliquant on peut accéder au polygone de l objet forêt Et à tous ses attributs En cliquant on ne peut accéder qu à la valeur d un pixel L objet forêt n existe pas en tant que tel

35 Massif forestier dans une carte d occupation du sol VECTORIEL MATRICIEL Pas de représentation explicite de l espace Représentation explicite de l espace

36 Massif forestier dans une carte d occupation du sol VECTORIEL MATRICIEL X Vecteur : éditable modifiable raster : pas modifiable point à point

37 Massif forestier dans une carte d occupation du sol VECTORIEL MATRICIEL rasterisation vectorisation VECTEUR «RASTER»

38 QUEL MODÈLE UTILISER? Vectoriel localisation précise des données description topologique exhaustive gère les réseaux présentation graphique supérieure volume réduit des données (espace disque) structure plus ou moins complexe mise à jour aisée (édition facile) la réalisation d opérations nécessitant la superposition de plusieurs planches d information requiert des calculs complexes mal adapté aux analyses et simulations convient généralement mieux aux études à échelle locale Matriciel localisation liée à la dimension de la cellule. aucune description topologique structure inadéquate pour les réseaux représentation graphique liée à la dimension de la cellule (pixel). Lorsque la taille de la cellule est importante, on observe un effet d escalier sur la représentation graphique. volume important des données (espace disque) mise à jour complexe (édition longue et pénible) structure simple superposition aisée des diverses planchesd information très bien adapté aux analyses et simulations (analyse de coût/poids) convient mieux à l édude synoptique de phénomènes régionaux ou globaux

39 PEUT-ON COMBINER LES 2? Routes (vectorielle) Zonage (vectorielle) Limites administratives (vectorielle) Hydrographie (vectorielle) Élévation (matricielle) Photo du terrain (matricielle)

40 RÉFÉRENTIEL GÉOGRAPHIQUE Comment peut on réaliser des cartes planes à partir du globe terrestre en volume?

41 Les modèles de forme de la terre au cours des âges Pythagore Antiquité Huyghens 17 e Aujourd hui +75 m 39,939 km (axe y) vs 40,075 km (axe x) terre plate sphère ellipsoïde géoïde temps -111 m Géodésie

42 Le géoïde terrestre Représentation de la terre par un «patatoïde» en creux et en bosses Le géoïde représente la surface équipotentielle du champ de gravité de la terre qui coïncide avec le niveau moyen des océans Géodésie

43 Précision liée au type de modélisation du globe Ellipsoïde global Ellipsoïde local Géoïde - précis + précis Géodésie

44 Les ellipsoïdes terrestres Différents ellipsoïdes sont utilisés en cartographie («datum») Ellipsoïde local Exemple: North American Datum (NAD 1983) WGS 84 : World Geographic System 1984 Ellipsoïdes

45 Prendre un ellipsoïde de référence avec un point décalé du centre de la terre «offset». Plusieurs datum peuvent ainsi être associés au même ellipsoïde, et ainsi à plusieurs régions terrestres différentes. Le datum indique un nouveau centre arbitraire de la terre. C est un modèle de surface terrestre régional de la terre ou un ellipsoïde local. Souvent basé sur une plaque tectonique Un ellipsoïde et 2 datums Source: Manifold - Les ellipsoïdes locaux («datum»)

46 Les ellipsoïdes locaux («datum»)

47 NAD83 vs WGS84 Au Québec: décalage horizontal de 1,5 m et décalage vertical de 1,5 m Les ellipsoïdes locaux («datum») les plus communs

48 NAD 27 (pieds) North American Datum 1927 Basé sur l ellipsoïde de Clarke 1866 NAD 83 (mètres) North American Datum 1983 Basé sur l ellipsoïde Geodesic Reference System GRS 80 (précision satellitaire). Utilisé pour les cartes topographiques en Amérique du Nord (incluant le Québec et le Canada). Point de référence: le centre de la terre. WGS84 (mètres) World Geodetic System 1984 Basé sur l ellipsoïde Geodesic Reference System GRS 80 (précision satellitaire). Le plus commun des datum, tous les GPS ont ce datum par défaut. Les ellipsoïdes locaux («datum») les plus communs

49 Ellipsoïdes locaux («datum»)

50 Une même ellipsoide peut être utiliser pour plusieurs datum (ex. GRS 1980). Les coordonnées Lat/long calculées selon un datum ne sont valides qu avec ce datum. (Des coordonnées calculées en NAD 27 ne sont pas valides en NAD 83). Si on veut visualiser des coordonnées dans un autre datum, la position sera recalculée (reprojetée) et ainsi de nouvelles coordonnées seront générées. Il est impossible de travailler dans un projet sur ArcGIS avec des données de datum différents. Ellipsoïdes locaux («datum»)

51 SYSTÈMES DE COORDONNÉES la «localisation géographique» se fait à Deux partir types: d un Géographique système de Projetée (ou plane) coordonnées Le système de coordonnées cartésien

52 SYSTÈME GÉOGRAPHIQUE Longitude = méridiens Latitude = parallèles

53 SYSTÈME GÉOGRAPHIQUE Longitude = méridiens Latitude = parallèles

54 RÉFÉRENTIEL GÉOGRAPHIQUE La projection cartographique est une transformation géométrique permettant de représenter sous la forme d une carte plane la réalité 3D du globe terrestre

55 SYSTÈME PROJETÉ Globe terrestre Projection Carte plane Les coordonnées planes obtenues par transformations mathématiques permettent des mesures directes sur la carte Vers une projection cartographique

56 Vers une projection cartographique longitude y x latitude Espace 3D : ellipsoïde terrestre La projection est la correspondance analytique entre : 1 point (latitude, longitude) de la surface de l ellipsoïde terrestre et 1 point homologue du plan cartographique (X, Y) espace 2D : plan cartographique X = f(latitude, longitude) Y = g(latitude, longitude) f et g sont deux fonctions continues qui définissent la projection. Système projeté

57 Types de projections en fonction des déformations liées à la projection projection tangente projection sécante Zone la plus précise, sans distorsion en fonction de la surface de projection en fonction de la position de la surface de projection conique cylindrique Azimutale/plane Système projeté

58 Les déformations Les projections sont des tentatives de représenter la surface «ronde» de la terre sur une surface plane (3D vs 2D). Différentes formes de distorsion découlent de ce procédé : forme, distance, direction, surface mais pas toutes pour tous ces points. En dépit des problèmes reliés à la distorsion, toutes les projections conservent un élément important, c'est-à-dire la précision de la localisation. Projections conformes Elles préservent les formes et les angles mais pas les rapports de surfaces Projections équivalentes Elles préservent les rapports de surfaces mais pas les formes et les angles Système projeté

59 Pourquoi utiliser une projection? Trois principales raisons en faveur de l utilisation d une projection Car c est plus esthétique. La carte a l air plus normale Pour permettre la mesure des distances et des aires sur les cartes papiers Pour permettre de facilement mesurer des éléments linéaires lors d analyses Système projeté

60 Le point de référence Source : Système projeté

61 Lambert préserve les formes Albers préserve les surfaces Source: Peut devenir un problème en SIG

62 Exemples de projections

63 Projection cylindrique de Mercator Très populaire, à la base de la cartographie de presque tous les pays Grande distorsion aux pôles Exemples de projections

64 Universel Transverse de Mercator (UTM) Exemples de projections

65 Le globe est divisé en 60 zones de 6 de longitude de large (360 km à l équateur). Les numéros de zones croissent d'ouest en est à partir du méridien 180, allant de 1 à 60. Chacune des zones est centrée sur un méridien de façon à ce qu'il y ait 3 de chaque côté de ce méridien central. Les longitudes Eastings sont données en mètres en prenant pour origine le méridien central, celui-ci est considéré comme ayant une coordonnée en x de m. Si l'on est à l'ouest de ce méridien central on soustrait de la distance (en mètres) à laquelle on se trouve du méridien. Si l'on est à l'est de ce méridien central on additionne à la distance (en mètres) à laquelle on se trouve du méridien. Les latitudes Northings sont données en mètres en prenant pour origine l'équateur. Pour l'hémisphère nord, la valeur de y à l'équateur est 0 et on additionne la distance (en mètres) à laquelle on se trouve de l'équateur. Pour l'hémisphère sud, la valeur de y à l'équateur est et on soustrait de cette valeur, la distance à laquelle on se trouve de l'équateur. Universel Transverse de Mercator (UTM)

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67 Modifié Transverse de Mercator (MTM) Il s'agit d'un système de projection utilisé seulement au Québec. Le territoire québécois est divisé en 8 zones de 3 de longitude de large (180 km). Les zones sont numérotées de 3 à 10 débutant aux Iles-de-la-Madeleine et se terminant en Abitibi. Chacune des zones est centrée sur un méridien de façon à ce qu'il y ait 1,5 de chaque côté de ce méridien. L'origine en x est située sur le méridien central et possède une valeur de m; Eastings. L'origine en y est située sur l'équateur et possède une valeur de 0 pour l'hémisphère nord; Northings. Le calcul des positions relatives des objets s'effectue de la même façon que pour le système UTM. Exemples de projections

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69 Coniques: très utiles pour l hémisphère nord Albers conique Lambert conique conforme : utile pour représenter les grands territoires, surtout en Amérique du Nord Projections coniques

70 Azimutales: très utiles pour les pôles Lambert azimutale Projections azimutales

71 Paramètres d une projection type d ellipsoïde et ses caractéristiques type de projection : cylindrique, conique points ou courbes origines de la projection méridien et parallèle centrés sur la projection facteur d échelle (dilater / serrer) offset est = false easting = décalage en X offset nord = false northing = décalage en Y de manière à toujours avoir des coordonnées positives dans la zone couverte par la projection Principaux paramètres définissant une projection

72 Exemples de projections