Etat de l art des systèmes d information géographique. Hervé Brunel. 3 avril 2005

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1 Etat de l art des systèmes d information géographique Hervé Brunel 3 avril 2005

2 Cette étude a été réalisée dans le cadre de l examen probatoire au mémoire d ingénieur, spécialité systèmes d information. Elle sera présentée au jury du CNAM qui se réunira le 12 avril 2005 à 15h30 à Bourges. Ce jury sera présidé par Mme Marie-Christine Costa, CNAM Paris. Il sera composé de : M. Frédéric Kratz, professeur des universités, directeur du CEP de Bourges M. Daniel Devaux, ingénieur, directeur des systèmes d information du Conseil général du Cher, M. Claude Leblanc, ingénieur, responsable local de la filière informatique 2

3 Résumé La mise en oeuvre des systèmes d information géographique touche tous les domaines d activités. Ces outils intéressaient à l origine les gestionnaires institutionnels, les opérateurs de réseau, les analystes de territoires, ils sont de plus en plus utilisés dans les domaines de la marquétique, des sciences sociales mais aussi de la logistique. La présente étude décrit les concepts propres à ce type de système d information, tant en ce qui concerne la composante textuelle, que celles qui touchent à la localisation et aux relations entre ces deux entités. Un éclairage particulier est apporté à la prise en compte de la notion de connaissance. Sont présentés ensuite les principaux composants d un SIG : référentiels géométriques, représentation graphique, l acquisition et le système de données, ainsi que ses fonctionnalités. Les domaines d application d un SIG sont traités au travers des usages possibles et des types d utilisateurs. Un accent a été apporté sur le degré de maturité des SIG. Un volet de l étude a dressé l état de l art en 2004, en présentant les principaux systèmes du marché, leurs caractéristiques, leur prix et leurs champs d utilisation. Enfin, les axes de développement de ce domaine de l information géographique ont été abordés, ils dessinent certainement les caractéristiques des outils qui seront commercialisés dans les années à venir. L ouverture au public, la mise à disposition des données au public impacteront les caractéristiques des outils en développement. Ces tendances consacrent leur ouverture sur Internet. Une meilleure intégration des systèmes d aide à la décision contribueront très certainement à leur positionnement au coeur du système d information des organisations territoriales. 3

4 Table des matières Résumé 3 Introduction 6 1 Les concepts Information géographique et représentation Le texte géographique La représentation cartographique La conception cartographique Modèle conceptuel de l information géographique Lien entre objets géographiques et localisation Le modèle géométrique La prise en compte de la connaissance dans l information géographique Conclusion sur les concepts Les principaux composants d un S.I.G Les référentiels cartographiques Les référentiels géométriques Les référentiels indirects La représentation graphique Le mode raster ou mode tramé (ou matriciel) Le mode vecteur Relations spatiales entre objets L acquisition des données Les données existantes de description de territoire Les autres modes d acquisition Le géoréférencement Le support logique de l information Les fonctionnalités d un SIG L organisation Conclusions en ce qui concerne les composants Les domaines d application des S.I.G Les usages possibles d un SIG Les utilisateurs des SIG Suivi, évaluation et définition de politique Gestion opérationnelle La recherche Les degrés de maturité dans l usage des SIG L état de l art et les limites actuelles des S.I.G Les caractéristiques d un système d information géographique Les principales solutions du marché Arc/ESRI

5 4.2.2 Intergraph MapInfo MacMap GéoConcept Star Informatic GeoMap GeoCT, Grass Apic Savane Conclusions en ce qui concerne les principaux produits inventoriés Les perspectives de développement L ouverture sur le monde L ouverture sur l Internet, et d autres modes de type nomade L interopérabilité Le développement des outils d interrogations Une meilleure intégration des outils d aide à la décision Une prise en compte des données de toute nature Conclusion sur les perspectives de développement Conclusions 28 Bibliographie 29 Liste des figures 31 ANNEXES 32 5

6 Introduction Les systèmes d information géographique tirent leur spécificité des liens qu ils établissent entre informations caractéristiques des composants d un territoire et ce territoire. La définition de chacun des composants, système d information et information géographique contribue à en préciser le contour : - système d information : ensemble de composants inter-reliés qui recueillent de l information, la traitent, la stockent et la diffusent afin de soutenir la prise de décision et le contrôle au sein de l organisation.[wat03] - information géographique : L information est dite géographique lorsqu elle se rapporte à un ou plusieurs lieux de la surface du globe terrestre. Cette information possède la caractéristique d être localisée, repérée ou géocodée[dp96]. Un système d information géographique a donc comme finalité de renseigner sur un territoire en localisant les informations pour aboutir à un processus de décision. Si on attache systématiquement aujourd hui la technologie informatique à la notion de système d information, il est important de mesurer combien cette notion est attachée à l activité humaine et plus précisément aux organisations. L information géographique a, de la même manière, été développée pour asseoir les visées expansionnistes à chaque étape de l histoire des civilisations et particulièrement au cours des épisodes belliqueux....celui qui ne connait pas la topographie des montagnes et des forêts, des passes dangereuses et des marais, ne peut faire avancer ses armées. Celui qui n utilise pas les guides locaux ne peut pas tirer parti du terrain. De ces quatre ou cinq points, celui qui n en connait pas un, ne possédera jamais l armée d un hégémon... Sun-Zi[SZ98] Ce sont bien les liens entre les informations elles-même et leur localisation qui fournissent les éléments nécessaires à la prise de décision. La cartographie a apporté un premier niveau de réponse technologique à ce besoin. Elle a permis de localiser avec une précision de plus en plus grande, la localisation des informations dont le caractère était stratégique. L étude réalisée décrira les concepts mis en oeuvre dans de tels systèmes d information. Elle devra préciser le périmètre recouvert par les S.I.G., ce en quoi il s agit d un système d information, et les singularités de ce type de système d information. Elle s attachera ensuite à dresser l état de l art en 2004 sur ce domaine, en l illustrant par des applicatifs reconnus sur le marché et leurs principales caractéristiques, ainsi que les tendances technologiques. L étude abordera ensuite les perspectives de développement pour les SIG, au regard des attentes que leurs concepts ont générées, qu il s agisse de l évolution des référentiels géographiques, de la prise en compte d autres dimensions comme celle du temps, mais aussi de tendances qui placeraient le SIG au coeur de systèmes d information d organisation territoriale. 6

7 FIG. 1 L approche multi-domaines 1 Les concepts L histoire des civilisations met en évidence le lien entre les hommes et les territoires 1. Les lieux de vie, espaces de conquêtes, de conflits plus ou moins limités par des frontières, les territoires prennent aujourd hui de nouvelles dimensions et significations. La mondialisation tend à faire disparaître ces frontières, mais nombre d organisations, qu elles soient économiques, administratives, sociales, culturelles s attachent à une dimension régionale. L organisation française en est un exemple : elle n arrive pas encore à réduire son nombre de communes qu elle a inventé de nouveaux découpages : communautés de communes, d agglomérations pays et on réfléchit même à regrouper les régions, sans évoquer la suppression des départements. L abolition des frontières contribue à la reconfiguration des organisations culturelles et sociales. Le territoire est devenu de plus en plus un lieu de projets[doc03] où différents acteurs représentent des communautés d intérêts différents, à l intérieur d un espacetemps pour un but partagé. Quelque soit la configuration de ou des organisations actrices des projets, chacune a besoin de maîtriser les informations attachées à ce territoire pour concevoir les stratégies, en simuler les conséquences et en piloter la mise en oeuvre. 1.1 Information géographique et représentation L information géographique s apparente à la relation entre des données descriptives d un objet et de sa localisation géométrique sur la Terre. Il y a ainsi mise en correspondance de 2 types de données et de deux modes de représentation : le texte géographique chargé de sémantique la carte géographique 1 Territoire : étendue de pays qui ressort à une autorité, une autorité quelconque. Cette définition est interessante, courte, elle consacre bien les liens entre territoire et pouvoir, quelqu il soit. 7

8 1.1.1 Le texte géographique Le texte géographique a plusieurs dimensions. Il nous fournit des informations typologiques : la nature de l habitat, par exemple, (qui peut être défini à partir de types prédéfinis et de répartition statistique), des informations quantitatives (population, surface d un territoire...), mais aussi d informations qualitatives (descriptions de paysages, d organisations urbaines...). L organisation des informations dans le texte géographique et l utilisation de tous les outils de la langue en cours permettront de définir une grammaire géographique. Il sera alors possible de procéder par le langage écrit à la description d un territoire par la construction d un modèle.... le texte géographique classique est travaillé par un projet d exhaustivité, de clôture de son objet. Tout se passe comme si le discours devait réitérer la contrée, ou, c est l alternative de la géomorphologie régionale, en dévoiler les invisibles fondements.[woo00] L avantage de cette méthode tient dans son approche systémique. Elle est cependant limitée en dimension. Très rapidement le caractère qualitatif rendra difficile l approche quantitative, sauf à rechercher les éléments dans le modèle et donc à en faire une lecture très cartésienne. D autres caractéristiques peuvent influer la perception du modèle. Il y a confrontation de deux fonctions du langage : la composante idéationnelle : à qui est attachée l expression du contenu [MHD01] la composante textuelle est attachée à la construction des textes [MHD01] La construction du modèle représentant le territoire nécessite une organisation du texte reposant sur un modèle d architecture textuelle (cette organisation s applique d ailleurs à tout texte). Le texte géographique montre ainsi ses limites, il est adapté à la description, mais difficilement exploitable pour l explorer et en extraire des informations rapidement. La lisibilité du modèle d architecture textuelle peut nuire à la richesse du modèle et donc à la description du territoire, à ses composants et aux phénomènes qui y sont attachés. Les grammairiens évoquent pour ce type de modèle[woo00], la notion de cohabitation sereine. A contrario lorsqu il y a interdépendance des phénomènes, il sera difficile de disposer d une telle cohabitation. Le texte géographique est malgré tout le meilleur garant de la sémantique de l information dont il est le média. L information géographique tire sa source de l observation du monde réel où l incertitude est omni-présente [Jea04] La représentation cartographique La représentation cartographique comme support de la connaissance semble avoir préexisté à l écriture. Ainsi les premières fresques représentaient souvent des scènes de la vie courante et étaient essentielles pour assurer l existence de ses concepteurs. Ces fresques permettaient de fixer des informations à transmettre de génération en génération. Ces informations touchaient à la navigation, mais aussi à la délimitation et au partage de territoires de chasse. Ces scènes étaient représentées sur fonds d itinéraires, de repères géographiques. La première carte daterait de 3000 ans avant Jésus-Christ. L invention de la carte précède celle de l écriture. Les traces de ces deux médias ont été découvertes en Mésopothamie. L évolution des civilisations a vu la cartographie évoluer, la taille des territoires représentés augmenter et la symbolique utilisée se préciser. 8

9 La civilisation grecque a donné ses bases scientifiques à la cartographie. L évolution de cette technique a été rendue possible par la maîtrise de plus en plus grande des outils mathématiques et géométriques. De Pythagore (au début du Vème siècle avant Jésus- Christ), persuadé de la sphéricité de la Terre, à nos jours, ces progrès n ont pas été linéaires. Ils ont du franchir des obstacles dressés par les religions occidentales, fragilisées par ces découvertes. C est au XVIème siècle qu apparait le premier canevas de projection 2 conçu par Mercator 3. La géodésie 4, véritable science apparue au XVIIème siècle avec les travaux de Snellius, Picard et Cassini [Jod04], a permis de résoudre le problème de dimensions et de celui de la forme de la Terre. Nous reviendrons plus loin dans l étude sur les référentiels géométriques de la Terre. Au delà des problèmes de repérage géométrique, la cartographie est donc un moyen d expression graphique indispensable à la géographie. Elle a rapidement dépassé le simple recueil des éléments nécessaires à la connaissance scientifique de la Terre, pour devenir à la fois instrument d investigation et de contrôle. La cartographie permet sans l apport d information textuelle, d étudier, de vérifier les incidences de la juxtaposition de plusieurs facteurs qui auront été sélectionnés pour leur caractère déterminant sur l évolution d un phénomène. L avantage de la carte sur le texte réside dans la possibilité de représenter en même temps analyse et synthèse. Elle permet l analyse spatio-temporelle des facteurs déterminants de l évolution d un ou de plusieurs phénomènes. Nous avons mesuré, dans la section précédente, la difficulté de confrontations aux fins d analyse, de facteurs dont les portées se recoupent La conception cartographique L élaboration d une carte est avant tout un acte de conceptualisation ou se mèlent des niveaux de précision et d abstraction très différents : précision de la carte topographique : son niveau de détail est adapté à l échelle de représentation. Cette adaptation pose le problème de la pertinence des modes d agglomération de données de type identique lors du changement d échelle. La carte topographique sert de référentiel géométrique aux autres données. classification et simplification des objets et des phénomènes représentés. Là aussi les choix nécessaires à l agglomération de données identiques ou à la sélection de données pertinentes lors d un changement d échelle sont fondamentaux. Il en va de la lisibilité de la carte et de son adaptation à la problématique pour laquelle elle est conçue. l expression graphique met en oeuvre une palette de couleurs, de formes. Elle ne doit pas répondre à un souci d esthétisme, mais au souci de compréhension de la carte. La complexité des choix est croissante avec la nécessité de représenter des phénomènes précis, mais aussi des données qualitatives, imprécises lorsqu il s agit de tendances. 2 Représentation plane de la Terre, la surface de projection est un cylindre tangent à l équateur terrestre. Ce mode de représentation est limité aux environs de l équateur. Au delà des lattitudes supérieures à 60, l échelle déforme de matière importante les représentations 3 Mathématicien et géographe flamand du XVIème siècle 4 Science de la forme et des dimensions de la terre[duf01] 9

10 1.2 Modèle conceptuel de l information géographique La réalité physique de l information géographique est décrite par un volet géométrique et un volet sémantique. Cette information, nous l avons constaté dans la section précédente, repose sur deux dimensions : l une sémantique, l autre géométrique. La modélisation de ce type d informations nécessite de déterminer au préalable un ensemble d hypothèses simplificatrices qui permettront de décrire l univers du territoire. Ces hypothèses toucheront tous les objets de cet univers. La cartographie sera elle aussi impactée. L évolution de la géographie et de la cartographie dépendent des avancées technologiques. L introduction des technologies de l information a conduit à une nouvelle science : la géomatique. Celle-ci est définie comme l ensemble des techniques de traitement informatique des données géographiques et dont le but premier est l automatisation de la cartographie 5. La difficulté réside dans la quantité de plus en plus grande d informations dont il est possible de disposer et de la complexité non moins importante des interactions des phénomènes. Le développement des relations de toute nature, et surtout économiques, en rend son fonctionnement global de plus en plus systémique. L évolution technologique ne limite plus les possibilités de traitement. La difficulté est ailleurs, elle réside beaucoup plus dans la construction du modèle. Ce dernier doit prendre en compte la nécessité de confronter des points de vue de plus en plus nombreux sur la base d informations, elles aussi en nombre croissant Lien entre objets géographiques et localisation Le lien entre objet et localisation devient plus important, la localisation intervient de façon essentielle dans la définition et l interprétation d un objet. Exemple : l objet route n a pas de sens en lui-même, s il ne supporte aucun trafic. Son importance et le rapport entre ses caractéristiques et son environnement ou avec l importance des pôles qu il relie, définiront son adéquation à la fonction attendue. Objet n * attribut 1 * attribut 2 * attribut * méthode 1 * méthode Objet m * attribut 1 * attribut 2 * attribut * méthode 1 * méthode 2 - FIG. 2 Relations entre objets et territoires Un objet géographique spécifique peut être lui-même le produit d autres objets géographiques. On comprend aussi qu un territoire est un objet complexe composé des objets géographiques qui y sont implantés, des relations qu ils entretiennent entre eux et avec des objets implantés sur d autres territoires. La modélisation de la réalité géographique est complexe, elle doit permettre l approche globale mais aussi des relations quasiment 5 Journal Officiel du 14 février

11 illimitées entre objets. Il est cependant nécessaire d exprimer la réalité géographique sous forme d une schématisation d où on peut extraire les données qui en dépendent. La relation entre objet et localisation est résolue simplement lorsque l on considère que cette dernière est un attribut de l objet. Cet attribut a une fonction particulière car il influe le comportement de l objet (il y a une dépendance fonctionnelle entre l espace et le temps avec le comportement de l objet). Cette constatation modifie la définition de l objet géographique : ainsi un objet géographique a la particularité d associer une localisation géographique et quelques fois temporelle à l ensemble des attributs qui constituent la description non localisée de ces objets. L attribut donnant la localisation est appelé attribut de localisation, pour le distinguer des autres attributs qui constituent l information descriptive [Sou] Il restera à définir le système de référence absolu ou relatif, c est l objet de la phase suivante. Elle est liée à l usage du SIG et à la technologie employée Le modèle géométrique C est une représentation graphique qui doit rendre compte de la position et de la forme des objets géométriques ainsi que des relations spatiales entre ces objets. Le système de coordonnées sera alors à adapter au type de forme La prise en compte de la connaissance dans l information géographique L évolution de l entropie du système terre, conduit la géographie à s intéresser aussi à la connaissance pour établir un lien entre concepts du monde réel et modèles théoriques. La modélisation de la connaissance fait l objet de méthodes d analyse et de conceptualisation spécifiques. 6. Ces méthodes s intéressent à l exploration, à la découverte du système de connaissances sur plusieurs échelles simultanément. Le caractère multidimensionnel des connaissances nécessite ce type d approche, pour les étudier sans les réduire ni les mutiler. L introduction de la connaissance en tant que telle dans un système d information géographique n a de sens que si elle facilite la compréhension des phénomènes et des relations entre objets. Elle renforce la sémantique des objets. Un système d information géographique est pour moi un système de gestion de connaissances à part entière, il se contruit comme une ontologie. Cette construction ou ontologisation consiste en la construction de concepts hiérarchisées et de leurs relations et aussi pour chacun d eux de la définition d attributs.[mai04] 1.3 Conclusion sur les concepts Cette première partie de l étude nous a permis de mesurer la dualité de l information géographique sous forme textuelle et de sa localisation. La qualité des analyses qui seront menées par la suite, et elles sont la finalité su SIG, dépendra en partie de la profondeur de la sémantique des informations prises en compte. La cartographie apportera une dimension supérieure à la représentation des données extraites contribuant à l illustration de la problématique analysée. Là aussi, les choix d informations graphiques seront déterminants pour l illustration des résultats. 6 MKSM : Methodology for knowledge system management, cette méthode a été conçue par Jean-Louis Ermine au CEA, 11

12 La construction du SIG nécessite la détermination d un modèle des données. Cette première étape d abstraction passera par l inventaire des données, la détermination des typologies, des relations, des dépendances de ces objets entre eux, des informations qui seront attributs d objet ainsi que des formes géométriques associées le cas échéant. Cette démarche s apparente à une démarche conceptuelle classique. Dernier aspect remarquable : un système d information géographique est un système de connaissances. Les premières étapes de sa construction peuvent s appuyer pour partie sur les méthodes de construction, en particulier, en ce qui concerne la construction des ontologies. 2 Les principaux composants d un S.I.G. Les concepts définis, nous nous attacherons à décrire les principaux composants d un SIG, au travers de leurs aspects logique et organisationnel. 2.1 Les référentiels cartographiques Tout support d information géographique doit, pour être exploitable, préciser le référentiel géographique auxquels seront rattachés les informations. Plusieurs types existent, l un est direct, il a un caractère géométrique et l autre est indirect, il se réfère à un ou plusieurs autres référentiels, il s agit en particulier de référentiel administratif Les référentiels géométriques Nous l avons évoqué précédemment au 1.1.2, la géodésie a permis de décrire la forme, les dimensions de la Terre et au final une surface mathématique de référence : l ellipsoïde de référence 7. Ainsi les coordonnées d un point de la surface terrestre y sont définies par la longitude 8, la lattitude 9 et l altitude par rapport à un niveau 0, niveau moyen des océans 10. Les référentiels géodésiques ont ainsi évolué au fil du temps. Les représentations géographiques doivent donc préciser le référentiel utilisé. Ce référentiel est lui même défini par le référentiel géodésique, l ellipsoïde et la projection cartographique utilisés ainsi que le type correspondant de coordonnées. En France, le référentiel géographique est le RGF93 (Réseau géodésique français) depuis l année 2000[God04] Les référentiels indirects Ce type de référence fait appel à une description sous forme de texte de la localisation. Les positions relatives des objets ne sont pas explicites. Il est nécessaire pour exploiter ce type de référence de disposer d un dispositif intermédiare donnant la correspondance entre ce système textuel et un référentiel géographique. Le cadastre est un exemple illustrant ce concept : les parcelles sont repérées sur les actes adminstratifs, ou sur la matrice cadastrale avec un numéro de parcelle, une section cadastrale, d autres attributs dont 7 ellipsoïde de révolution ou sphère aplatie aux pôles 8 angle orienté formé par le plan vertical passant par le point et le centre de la Terre, et le plan vertical défini comme base et passant par Greenwich. 9 angle orienté formé par le plan méridien du point, entre l équateur et la normale à l ellipsoïde en ce point 10 géoïde ou surface de niveau du potentiel de la pesanteur passant par le zéro du nivellement 12

13 FIG. 3 Référentiel géodésique et projection cartographique le nom de propriétaire, la surface... Le plan cadatral permet de localiser la parcelle à partir de son numéro et de sa section. Le cadatre est actuellement en cours de numérisation par les service fiscaux. A l échéance de cette opération, les parcelles seront directement localisables. Des dispositifs assurent le lien entre référentiels indirects et localisation : à titre d exemple la base de données Géoroute 11 de l IGN permet de localiser les voies de circulation avec les numéros d îlot de chaque côté de la voie. Cette application développée par l IGN est destinée à alimenter des systèmes de guidage embarqué. 2.2 La représentation graphique La géographie fait appel, au travers de la cartographie, aux vertus représentatives de l image. Qu il s agisse du fond topographique ou des objets que le SIG représente, cette dimension graphique est l axe essentiel pour l utilisateur. Deux modes techniques permettent de mettre en oeuvre cette représentation : le mode raster et le mode vecteur. Il est possible de passer d un mode à l autre : on parle alors de vectorisation ou de rasterisation. Ce pont possible entre les deux modes facilitent entre autres l acquisition de données : une carte numérisée peut être ensuite vectorisée avec identification des formes qu elle contient Le mode raster ou mode tramé (ou matriciel) La surface de l objet est composée par des points jointifs ou pixels. De leur résolution dépend la finesse de la représentation. La position est définie par rapport à la maille de la matrice nécessitant de repasser par un deuxième système de référence pour localiser en absolu le pixel. Ce mode de représentation est le plus proche de l informatique. Chaque pixel porte une information identifiant sa couleur et l entité à laquelle il est rattaché. Ainsi une ligne ou une surface sont elles-mêmes définies par l ensemble des pixels contigus dont la valeur de rattachement est identique. Plusieurs couches d information composées de pixels peuvent être superposées représentant chacune un thème particulier. A ce stade, la description des objets est implicite. Un lien peut être établi entre le fichier raster et une 11 http ://intercarto.com/imgs/fr/ign/pdf/georoute descriptif technique.pdf 13

14 table de données, il permet la description explicite des pixels, mais aussi le traitement des informations du fichier graphique. La relation spatiale entre les objets est implicite Le mode vecteur L image est décrite par un ensemble d objets : les SIG retiennent trois primitives de base qui permettent de recomposer la géométrie des objets, il s agit de : 1. des objets ponctuels 2. des objets linéaires 3. des objets surfaciques Objet ponctuel Objet linéaire Objet surfacique FIG. 4 Les objets de base en mode vecteur Un objet ponctuel sera localisé par un seul triplet de coordonnées. 12. Un objet linéaire est une suite ordonnée de points. Chaque point est relié au suivant par un segment de ligne définie mathématiquement. Un objet surfacique est défini comme étant l intérieur de son contour. Il est donc délimité par un objet linéaire fermé sur lui-même. On peut par extension définir des spécialisations d objet surfacique. Par exemple un objet surfacique à trou est défini comme un objet surfacique dont une partie intérieure est délimitée par un objet linéaire fermé. Un objet volumique est un objet composé d objets surfaciques. La description des objets est explicite. Une couche d informations regroupe un ensemble d objets qu on souhaite représenter simultanément. La position des objets est exprimée par des coordonnées attachées à un système de positionnement Relations spatiales entre objets Les relations spatiales entre objets sont, soit de type booléen (intersection, inclusion, adjacence par exemple), soit de type flou lorsque les critères de la relation doivent être précisés (par exemple, la notion de proximité). Dans ces deux cas les relations peuvent être soit explicites (recalculées à chaque usage) ou implicites (calculées une fois et stockées). Les deux modes de relations spatiales sont utilisées entre les objets. Bien que, par nature, la description des formes issues du mode raster soit implicite, il est possible de rendre leurs relations explicites. C est la théorie des graphes qui fournit les outils nécessaires à cette transformation. 2.3 L acquisition des données La construction d un SIG est basée sur un ensemble de données cartographiques, et textuelles dont une partie importante est fournie par des organismes spécialisés. Les don- 12 on peut même imaginer réduire à deux les coordonnées, si l objet est attaché au sol support ; dans ce cas c est le référentiel du sol qui fournira l atitude 14

15 nées plus spécifiques feront ensuite l objet d acquisition par différents moyens en fonction de leur échelle et de leurs quantités Les données existantes de description de territoire Nous limiterons notre présentation, qui n a de valeur que d illustration et non d inventaire, à la situation française. Ainsi l Institut Géographique National (IGN) fournit la majorité des données nécessaires : La base de données cartographiques : BDCARTO. C est la couverture cartographique à l échelle 1/50 000ème. Elle contient des données de niveau sémantique qui décrivent les infrastructures de transport, les caractéristiques géographiques et administratives du territoire français. Prix euros pour la France entière.[ign01] La base de données topographiques : BDTOPO. C est la description topographique du territoire français avec une précision métrique. Le relief est décrit sous forme de modèle numérique de terrain. Prix euros pour la France entière, 9 euros / km2 hors urbain, 18 euros / km2 en zone urbaine à l échelle d un département.[ign02] La base de données altimétriques : BDALTI. C est la couverture en courbes de niveau du territoire français. Cette base de données est la base de la BDTOPO. Prix euros pour la France entière. [IGN98] La base de données routières : GEOROUTE. C est la couverture du routier français en milieu urbain et interurbain, avec une précision de l ordre 5 à 10 m en zone urbaine et de 10 à 40 m en zone interurbaine. Prix de la couverture de la France entière au 01/01/2005 : euros.[ign99] D autres organismes fournissent aussi des données qui font référence dans des domaines plus spécifiques. A ce titre on peut citer CORINE Land Cover, qui a pour objet de fournir une information géographique homogène sur l occupation du sol des pays de l Union Européenne 13, le fichier de recensement de l INSEE qui permet d identifier la répartition des populations en précisant la composition socio-professionelle, le fichier FAN- TOIR 14 est réalisé, par la Direction générale des impôts, à partir des toponymes des voies, lieux-dits, ensembles immobiliers et pseudo-voies transmis par les collectivités locales, les fichiers de l INSEE qui permettent de localiser les données économiques et socioprofessionnelles, les données de l environnement gérées par les services déconcentrés du ministère de l écologie et de l environnement durable (fichiers NATURA , ZICO 16, ZNIEFF 17,RAMSAR 18. L ensemble de ces données permettent de construire le cadre de références et d informations de base d un SIG. Les autres données nécessaires peuvent faire l objet d autres modes d acquisition Les autres modes d acquisition La démarche conceptuel permettra de définir les classes d objet nécessaires au SIG ainsi que leurs attributs. En dehors des sources de données citées précédemment, il sera 13 http ://www.ifen.fr/donindic/donnees/corine/3clature.htm 14 Fichier annuaire topographique initialisé réduit 15 recensement des zones d habitat naturel protégées 16 Zone importantes pour la conservation des oiseaux 17 Zone naturelle d intérêt faunistique et floristique 18 Ramsar du nom de la ville d Iran où a été signée la convention de protection des zones humides utilisées comme habitat par les oiseaux le 2 février

16 nécessaire de procéder à l acquisition directe des informations définies par la conceptualisation. Deux méthodes sont encore possibles : s il s agit de données à grande échelle, il pourra être fait recours aux fournisseurs de données par télédetection, par la numérisation ou par vectorisation : la télédétection spatiale. Le développement et la maîtrise des satellites d observation de la Terre depuis plus de 30 ans a permis de fournir les données précises en matière géographique. Ces inforamtions sont essentiellement de deux types : des images et des données de géolocalisation, grace en autre à l avènement du GPS 19. L échelle d observation est mondiale et le rafraichissement des données peut être constant. Ainsi des sociétés comme Spot-Image 20, Landsat 21 se sont spécialisées dans la fourniture de ces informations. Le niveau de résolution peut être très élevé, inférieur au mètre, elles permettent aussi l extraction d informations détaillées dans les domaines de la défense, de la surveillance, du géo-marketing, de la planification urbaine, de l étude des grandes infrastructures... Ces données sont fournies sous des formats directement importables dans les SIG. La numérisation des informations. Elle est souvent réalisée à partir d un dispositif de numérisation (table à numériser). Outre la saisie des inforamtions définissant les formes géométriques et géographiques par leurs coordonnées, il est nécessaire de saisir le contenu de l information sémantique (attributs et relations). Ces informations sont, dans ce cas, saisies en mode vecteur. Il est possible de procéder par scannage, les fichiers résultats sont alors vectorisés pour en extraire les informations isolées (voir Relations spatiales entre objets) Le géoréférencement Les données produites par la télédétection et la saisie directe doivent être modifiées pour correspondre parfaitement au modèle et au référentiel géodésique. A cet effet, le SIG possède des fonctions de déformation qui permettent, à partir du recalage d une partie des informations sur des points d appui, de recaler l ensemble de l image. Le géoréférencement se décompose en une déformation de l image et un rééchantillonage de celle-ci.[oli98] 2.4 Le support logique de l information Nous avons pu constater qu au delà de leur représentation graphique, les données géographiques étaient porteuses d attributs et de relations. Nous avons pu mesurer également combien les informations géographiques se comportaient comme des objets (au sens informatique du terme), avec des types différents et des méthodes (modes de représentation pour un point, un objet différent, un objet linéaire, un objet surfacique). Les notions d encapsulation, d héritage y sont présentes. Ces caractéristiques conduisent à imaginer que le SGBD est le support d information adapté et qu au regard des particularités ci-dessus énoncées, un SGBD orienté objets présenterait des fonctionnalités pertinentes. Ce dernier n assure pas les contraintes d intégrité comme le fait un SGBD relationnel, à contrario il permet une modélisation plus complexe. Son langage de requête ne présente pas non plus 19 Global positionning system 20 http ://www.spotimage.fr/html/ 21 http ://www.landsat.com/landsat.html 16

17 les mêmes performances que SQL [etb97] Une alternative réside dans l extension du modèle relationnel pour qu il puisse intégrer des types propres à la géolocalisation, et donc des attributs qui prennent leurs valeurs dans un espace de dimension 2 à 3. Cette extension du modèle peut être réalisée artificiellement, en utilisant trois attributs dont la concaténation définira une clé de localisation. Plusieurs éditeurs de SGBD ont modifié leur produit pour y intégrer cette particularité. C est le cas d IBM avec DB2 Spatial [IBM02] Extender 22, Oracle Spatial et Oracle Locator 23. SQL a officiellement intégré cette évolution avec une version spécifique : SQL/MM qui introduit de nouveaux types abstraits de données : géométriques, topologiques, métadonnées.[eis02] 2.5 Les fonctionnalités d un SIG On peut rapidement décrire les fonctions attendues d un SIG, la littérature dans le domaine évoque les 5 A d un SIG. 1. Abstraire : Le module d abstraction regroupe les outils de définition des données. A ce titre des fonctionnalités de conception du schéma conceptuel des données peuvent y être intégrées. D autres fonctions permettent de construire les dictionnaires de données et de contraintes à partir du SCD. 2. Acquérir : Ce module intègre deux types d outils, les fonctions d importation de données, et les fonctions de numérisation. Ces fonctions sont complétées par des outils de géoréférencement, et de contrôle sémantique. 3. Archiver : Ce module s appuie sur le support de stockage d informations évoqué au paragraphe précédent, pour les données sémantiques voir pour les données graphiques, l utilisation d un logiciel de CAO/DAO et une alternative possible pour gérer ces dernières données. Les fonctions d interrogation sont traitées par un langage assertionnel qui transforment les termes de la requête de l utilisateur en élément d algèbre relationnel. 4. Analyser : Ce module contient les fonctions qui différencient les SIG entre eux. A ce titre on peut remarquer les fonctions de manipulation de données qui ne génèrent pas de nouvelles connaissances, les fonctions d analyse, ce sont celles qui évoluent le plus vers des outils d aide à la décision, et dernier domaine de développement qui sera traité dans un des paragraphes suivants, la notion de généralisation. 5. Afficher : ce module intègre tous les outils de restitution des traitements, leur finalité tient dans la matérialisation physique des phénomènes spatiaux, et de leur interaction avec les données sémantiques, un mode hypertexte peut être retenu. 2.6 L organisation Comme tout système d information, la mise en place, la gestion, l exploitation d un SIG nécessite une démarche de projet et des moyens à mettre en oeuvre. A chaque étape, 22 Cette solution a appliqué l extension des types à ceux des primitives géométriques des SIG, il permet aussi facilement l intégration de données à priori non-sig dans un SIG, cet outil semble utiliser à cet effet l artifice des trigers 23 http ://www.oracle.com/technology/products/spatial/pdf/10g spatial locator twp.pdf. Ce produit intègre les types correspondants aux trois primitives géométriques des SIG, la notion d index spatiaux et d opérateurs spatiaux dans une version spécifique de SQL 17

18 une organisation spécifique sera mise en oeuvre : pilotage, étude, groupes de travail mais aussi formation et évaluation composeront les clés de cette mise en oeuvre. Cette démarche prend içi une dimension particulière au regard de la multiplicité des types de données qu un SIG peut accueillir. 2.7 Conclusions en ce qui concerne les composants L ensemble des composants que nous avons présentés dans cette partie met en évidence la mécanique d un SIG tant dans sa dimension purement technique que dans son approche logique. La complexité et, la richesse des informations à gérer doivent être prises en compte dès les étapes de conception du modèle. 3 Les domaines d application des S.I.G. Les deux sections précédentes nous ont permis d appréhender les concepts et les éléments composants un SIG. Ainsi nous avons pu mesurer comment l information géographique pouvait être modélisée avec la description d un territoire par des entités, l importance de leur localisation et de leurs relations. L utilisation d un SIG sera donc à priori pertinente pour tous les domaines dans lesquels des entités, objets, informations localisables sur un territoire, permettent par leur connaissance d aboutir à des processus de décision. Un premier essai de typologie pourraît être bâti sur le degré d utilisation, entre outil de connaissance et outil d aide à la décision. 3.1 Les usages possibles d un SIG Un système d information géographique s intéresse aux relations possibles entre entités et territoires. Une entité est assimilable à un objet. Elle sera donc décrite et localisée par des attributs, et des relations avec d autres entités. On pourra s intéresser : FIG. 5 Trois utilisations possibles La gestion d un objet en particulier. Ce premier usage permet une forme d accès à l objet soit par le système d information classique, soit par l interface graphique. C est un premier usage possible du SIG, il offre une alternative au système de requête classique. Il offre de plus la représentation cartographique des résultats des requêtes. 18

19 L évaluation. Ce mode d utilisation regroupera les fonctions de recensement, qu il s agisse d un objet spécifique, d un ensemble d objets appartenant à une classe d objets localisés sur un territoire donné. La recherche. Dans ce mode d utilisation, ce sont les fonctions, d exploration qui permettront de découvrir des relations entre données seules ou entre données et localisation qui seront mises en oeuvre, mais aussi des fonctions de simulation (avec prise en compte d interaction entre les objets). Ces 3 modes d utilisation ne sont pas exclusifs l un de l autre. On peut facilement imaginer qu il y ait progressivité qui conduise au passage d un mode à l autre. Les utilisations de SIG pourront être liées à la gestion d objet, au simple recensement, à la recherche de relations entre objets, à la recherche de tendances et aussi d évolutions dans le temps. Ces usages peuvent être directement liés à l activité et aux finalités de l organisation qui l utilisera, mais d une certaine manière à la maturité du système d information. 3.2 Les utilisateurs des SIG L approche par les modes d utilisation apportent un premier éclairage quant aux possibilités fonctionnelles d un SIG. Une typologie des utilisateurs précise le périmètre et illustre les cas d utilisation possibles Suivi, évaluation et définition de politique. Il s agit plus particulièrement d ontologie spatiale destinée à mesurer l intensité et comprendre la nature de phénomènes. A ce titre on trouve toutes les applications dans le domaine de l urbanisme, de la politique du logement, mais aussi de l environnement... De nouveaux débouchés apparaissent dans ce domaine, ils caractérisent aussi une évolution possible des SIG. Les agglomérations importantes (de plus de habitants) doivent avoir réalisées une cartographie des zones de bruit. La directive européenne 24 qui a institué cette obligation précise aussi que la définition de plans de lutte contre le bruit doit être terminée avant 2012 (2007 pour les agglomérations de plus de habitants). Le SIG devient, pour les agglomérations qui ont décidé de l utiliser comme support d information, outil de dialogue. En effet le nombre d interlocuteurs est de plus en plus important au fur et à mesure de la démarche. La prise en compte d informations de natures différentes, la capacité de synthèse de ce type de système d information et les possibilités de représentation ont convaincu de nombreux élus de son intérêt[les05]. Ce type d utilisation des SIG, est celui des grandes administrations de l Etat, mais aussi celui des collectivités locales Gestion opérationnelle. Il s agit d une utilisation plus classique d un système d information, le SIG y apporte la localisation des objets, qu ils soient statiques ou dynamiques. Les gestionnaires /49/CE 19

20 de territoire, tels les DIREN 25, les DDAF 26, les DRIRE 27 y trouvent un support pour la gestion des risques (inondations, zones instables, avalanches, SEVEZO...), mais aussi de périmètres protégés (zone d intérêt écologique, zone de captage, zone littorale...) ou des secteurs d application de réglement particulier (Zone PAC, ). Les gestionnaires de réseau utilisent le SIG pour suivre l évolution des caractéristiques dans le temps d objets souvent linéaires, qu il s agisse d opérations de maintenance, d entretien ou de modernisation, mais ausi pour mesurer l interaction avec les composantes de l environnement du réseau (gestionnaire de réseaux d eau potable, électrique, télécommunication mais aussi viaire). Les gestionnaires d autoroutes et les centre régionaux d information routière utilisent des SIG pour prendre en compte en temps réel les volumes et caractéristiques du trafic afin de décider de mesures de délestage, d intervention. L alimentation en temps réel du SIG s opère par des dispositifs de mesure de trafic et de vitesse implantés dans la chaussée, des analyseurs de mouvement et de détection d incidents implantés tout au long des voies importantes (ces dispositifs mettent en oeuvre des outils différents et complémentaires : ANITA : analyse d itinéraires alternatifs, bases de données évènementielles...) La logisitique y trouve de plus en plus un outil qui facilite la prise de décision. Le suivi des moyens de transport (camions, trains, bateaux) couplé avec le développement des puces RFID 28, permet un traçage précis des marchandises mais aussi une optimisation des transports en fonction des données de trafic La recherche C est certainement un nouveau secteur de développement pour les SIG. Il utilise les possibilités de recherche de relations à priori non identifiées entre objets. C est le domaine de la mercatique, et des sciences sociales en général. Ce sont les fonctions qui permettent de découvrir des relations entre objets et donc des phénomènes qui seront alors utilisées. Ces fonctions s appuyent sur les opérateurs topologiques qui caractérisent les intersections élémentaires entre deux objets d un plan ou d un espace [djm]. Une subtilité est employée pour identifier des objets voisins qui échappent aux intersections évidentes, il s agit de la notion de seuil, une frontière plus ou moins large qui entoure l enveloppe extérieure de l objet. On étudie alors sur la base de cette quasi enveloppe, les nouvelles valeurs d intersections, il est alors possible d étudier des zones plus floues de voisinage[gir04]. 3.3 Les degrés de maturité dans l usage des SIG Dans les domaines couvrant les trois modes définis précédemment, le niveau d utilisation peut être très variable. Il est conditionné par les ambitions qui ont conduit à la mise en place du SIG. En effet si l utilisation des données aux fins de missions opérationnelles apparait comme assez simple, elle nécessite la mise en place d une démarche classique de projet informatique, en particulier en ce qui concerne la construction du modèle de 25 Direction tégionale de l environnement 26 Direction départementale de l agriculture et de la forêt 27 Direction régionale de l industrie de la recherche et de l environnement 28 Radio frequency identification data 20

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