Introduction à l'informatique scientifique

Transcription

1 ABG 2009 Introduction à l'informatique scientifique C. Champollion

2 Avant de commencer: - S'inscrire au rezufr (bat. 6, apporter sa carte d'étudiant - Tous les TD/TP auront lieu au rezufr (bat 6, salle sur les ecrans). - Les cours, les TD et les résultats seront (normalement) accessible via l'ent: référence du cours: FMOG103 ABG et il y aura les annonces / résultats / blabla - Les TD/TP par R. Cattin (Mercredi), P. Vernant (vendredi) et C. Champollion (vendredi) - MCC: 2 contrôles continus (en TD) - Pour nous joindre: cedric.champollion@gm.univ-montp2.fr / bat. 22 4ième à droite ou pvernant@um2.fr ou cattin@gm.univ-montp2.fr - Faire trois groupes équilibrés / emploi du temps

3 Objectifs du module: apprentissage d'outils - Initiation à l'informatique scientifique (Linux / GMT) - Traitement de données spatiales (interpolation / représentation). Sur machine - Rappel sur les systèmes de référence et les projections (ce cours!) - Utilisation de la Télédétection / Géophysique en Géosciences - Création de documents de travail comme support du cours (bassin en extension / compression)

4 Linux: Historique: créé en 1991 par Linus Torvalds (un chercheur universitaire comme les créateurs d'internet!) Linux (GNU/Linux) est un système d'exploitation comme Windows ou MacOs. Il représente 4% de part de marché (présent aussi dans PS3, GPS, téléphones,...). Le système d exploitation est un ensemble de programmes responsables de la liaison entre les ressources matérielles d un ordinateur et les applications informatiques (6 millions de lignes de codes en Linux). L'environnement graphique: KDE ou Gnome (4 millions de ligne de codes). Windows est aussi un environnement graphique (30 millions de ligne de codes en tout!) particularités: - Plusieurs distributions: même système d'exploitation, parfois même environnement graphique mais différents logiciels. - Système libre : source disponibles, modifications, diffusion et même vente possible - Possibilité d'entrée des commandes en ligne via un terminal

5 Environnement graphique Linux:

6 Résumé: Système d'exploitation Environnement graphique Terminal ou console

7 Le shell Définition: Langage du système d'exploitation (manipulation de fichiers, de texte,...) Différents shell: mais peu de différences sous Linux (essentiellement syntaxe) Exemple: - shell Linux: bash,csh - shell Windows 98: ms-dos (maintenant powershell) Les commandes: ensembles des instructions du Shell Les paramètres: ce sont les paramètres de la commande par exemple le nom du fichier à copier, le nom de l'utilisateur pour la commande de courrier. Les options: chaînes de caractères précédées du signe - (parfois le signe +) qui indique que l'on veut un comportement spécial de la commande Aide: la commande man et internet.

8 Fichiers et système de fichier Système de fichiers: manière de ranger et d'organiser les fichier sur un disque dur Particularité Linux: mémoire local ou distante ou amovible n'importe où dans l'arborescence: ainsi les programmes ou les données ne sont stockés qu'à un seul endroit. Les types de fichiers: - Binaires: illisibles sans logiciel spécifique mais compact - ASCII: lisible avec n'importe quel éditeur de texte mais peu compact Exemple sur le format des images: - Bitmap: à chaque pixel est attribué une couleur (pb du rapport résolution taille de l'image): fichier binaire - vectoriel: chaque forme est décrite textuellement: fichier ASCII. Indépendant de la résolution du support / plus lourd) Les droits: - écriture / lecture / exécution: définissent les autorisation et les conditions d'accès à un fichier Particularité Linux (changement avec Vista ou NT): un utilisateur simple n'a pas accès au fichiers du système d'exploitation: moins de risque de piratage et d'erreur.

9 Exemple ligne de commande en Shell:! Attention la casse (majuscule/minuscule) est prise en compte! Afficher les fichiers dans un répertoire: - Tapez ls puis entrée (ici la commande est ls, pas de paramètres, pas d'options). Afficher l'aide d'une commande: - Tapez man ls puis entrée (ici la commande est man, le paramètre est ls). Afficher la taille et les droits des fichiers tomo.exe et tomo.f: - Tapez ls -alh tomo.f tomo.exe (ici la commande est ls, les options alh et les paramètres tomo.exe et tomo.f). Résultat à l'écran de ls -alh topok_2008.f topok_2008.exe [ced_home@pc-champo bin_tomo_k]$ ls -alh topok_2008.f topok_2008.exe -rw-rw-r-- 1 ced_home ced_home 6.8K Jul 11 11:45 topok_2008.f -rwxr-xr-x 1 ced_home ced_home 34K Jul 22 01:54 topok_2008.exe

10 Les programmes Un programme est un fichier texte comprenant une suite d'instruction dans un langage particulier. Exemples de langages: mapple, matlab, shell, C, fortran, java,... Différents type de langages: - compilés (fortran, C) : on écrit le programme, on le compile et on le lance (on parle de code). - interprétés (Matlab, Mapple, java): on écrit le programme et il est compilé en direct avant chaque lancement (moins performant). On parle de scripts. Ici on utilise GMT. Ensemble de programmes compilés accessibles via le shell

11 Global Mapping Tools (GMT) Philosophie: GMT est un logiciel Open-Source qui permet la création de cartes géologiques, géographiques et des diagrammes. Des données SIG sont inclus: le trait de côte, les rivières et les frontières politiques. Les outils sont exploités à partir de la ligne de commande permettant l'automatisation des tâches de routine grâce à des scripts. Formats entrée/sortie: - Entrée: fichiers ASCII en colonnes ou binaire (netcdf) - Sortie: Les cartes et diagrammes sont stockés au format PostScript (PS). Options: idem shell Trouvez de l'aide: - avec la commande man - sur le site web:

12 GMT: Très puissant et compact! Carte créée avec une seule ligne de commande! pscoast -R-30/30/60/72 -Js0/90/4.5i/60 -Ba10g5/5g5 -P > GMT_stereographic_polar.ps

13 Exemple d'illustrations GMT

14 intérêts GMT - Libre et gratuit. - Multi-plateforme: linux / windows (bof) / MacOs. - Base de données libre associée. - Lit de très nombreux formats en natif. - Cartes en vectorielles (pas de pb de résolution d'images / retouche possibles avec Illustrator). - «Scriptable» (réaliser une carte horaire des précipitations pendant 10 ans). - Rigoureux (donc pédagogique).... entre autres!

15 Les redirections Rediriger la sortie standard: Quand on exécute une commande, le shell affiche le résultat sur la console de sortie (l'écran par défaut). On peut rediriger cette sortie vers un fichier en utilisant le signe > > redirection simple: si le fichier existe déjà, il est écraser. >> redirection / concaténation : au lieu d'écraser le fichier pré-existant, on rajoute les lignes à la suite. Intérêts? Exemple de GMT: les commandes GMT créent des images en vectorielle (donc en ASCII). Par défaut, le résultat d'un commande GMT s'affiche dans la console. Il est donc nécessaire de la rediriger (écran / imprimante / fichier). pscoast -R-30/30/60/72 -Js0/90/4.5i/60 -Ba10g5/5g5 -P > GMT_stereographic_polar.ps

16 Test: vocabulaire Le TD de la semaine prochaine: - Bonjour / blabla - «Loguez» vous sur votre machine - Créer un répertoire pour cette séance de TD (commande mkdir) - Utiliser et modifier le script suivant pour réaliser une carte de la France dans 2 projections différentes. - Jouer sur la palette de couleur et l'extension géographique pour imager le risque de tsunami en Camargue.

17

18

19 SE REPÉRER À LA SURFACE DU GLOBE SYSTEMES DE REFERENCES PROJECTIONS

20 COMMENT EST PERCUE LA TERRE? La Terre n'a pas le même aspect à différentes échelles: Echelles < 1 : CARTOGRAPHIE PLANE Echelles > 1 : Sphéroïde Plus grandes échelles Patatoïde Très grande échelle CARTOGRAPHIE 3D (effet topo important)

21 Système de référence géodésique Une unité de mesure angulaire (degrés décimaux ou DMS,...) Une base (un ensemble de formes géométriques permettant de repérer chaque point du domaine géographique Une origine pour caler l'unité de mesure angulaire sur la base Position exacte (à l'erreur commise par l'approximation mathématique près) à la surface du globe Unité de mesure non uniforme : La distance représentée par 1 degré varie en fonction de la position

22 Pour aller plus loin: la réalisation d'un système de référence

23 Système de référence géographique Une unité de mesure angulaire (degrés décimaux ou DMS,...) Une base (un ensemble de formes géométriques permettant de repérer chaque point du domaine géographique Une origine pour caler l'unité de mesure angulaire sur la base + Un ellipsoïde Note: Les anglo-saxons parle de datum

24 L'ELLIPSOIDE Axe Semi-Majeur Axe polaire Axe Mineur A B Axe Majeur Axe Semi-Majeur Applatissement F = ( A - B ) / A Axe équatorial Excentricité E² = (A² - B²) / A² Exemples: Ellipsoïde du World Geodetic System 1984 (WGS84) : A = m 1/f = Ellipsoïde de Clarke (1866): A = m B = m

25 COMMENT CALER UN ELLIPSOIDE SUR LA TERRE? A l'aide d'un ellipsoïde GEOCENTRE Axe de rotation de la Terre Centre de la Terre au sens de la gravité Exemples: WGS 1984 (World Geodetic System) GRS 1980 (Geodetic Reference System) A = m B = m

26 COMMENT CALER UN SPHEROÏDE SUR LA TERRE? ( 2 / 2) A l'aide d'un sphéroïde NON GEOCENTRE Ca fitte mieux LOCALEMENT Centre de la Terre au sens de la gravité Origine du repère

27 Hauteur / altitude Altitude: On appelle altitude d'un point, la distance entre ce point et sa projection sur le géoïde le long de la verticale de pesanteur. Grandeur Physique. Hauteur: On appelle hauteur d'un point la distance entre ce point et sa projection sur l'ellipsoïde selon la normale qui y passe. Les notions d'altitude et de hauteur sont différentes. Dépend de l'ellipsoïde choisi.

28 Le Géoïde Gravité: attraction que la terre exerce sur tout corps extérieur en vertu de la loi de la gravitation universelle Newtonienne. Pesanteur: résultante de la gravité et de l'accélération centrifuge de la terre. Géoïde: la surface de niveau qui coïncide avec la surface moyenne du niveau des mers, et qui se prolonge sous les continents. Le géoïde peut être considéré comme une surface équipotentiel de pesanteur, passant par l'origine du nivellement, c'est a dire ajustée au niveau moyen des mers. Le verticale d'un point est l'axe perpendiculaire au géoïde passant par ce point. Elle peut être matérialisée par un fil a plomb.

29 Le géoïde

30 SYSTEME DE COORDONNEES PROJETEES ( PROJECTION CARTOGRAPHIQUE) Définition: Une projection cartographique est une formule mathématique reliant des coordonnées sphériques exprimées dans un SCG et des coordonnées planes. Cette formule a pour effet la transformation de la représentation de la terre sur un ellipsoïde en une représentation en carte.

31 SYSTEME DE COORDONNEES PROJETEES ( PROJECTION CARTOGRAPHIQUE) Caractéristiques: Une projection cartographique est définie sur une surface 2D plane. La projection cartographique permet de représenter la surface de la Terre sur une surface plane. Une projection cartographique est issue de données basées sur un datum L'unité de mesure est soit l'unité du SRG, soit une unité de distance : miles, mètres,... Le fait de projeter un ellipsoïde induit des DISTORTIONS du SCG, donc des structures représentées: FORMES, ANGLES, AIRES et DISTANCES peuvent être altérés. Il n'existe pas de projection totalement conservative.

32 PROPRIETES CONSERVATIVES DES PROJECTIONS CARTOGRAPHIQUES Une projection... CONFORME EQUIDISTANTE Préserve... Les angles Les intersections de droites perpendiculaires (méridiens et parallèles) du SCG sont préservées sur la carte projetée. Tout angle relatif est préservé. Les distances La distance entre certains points est préservée, (on parle de distance vraie) mais jamais à l'échelle de la carte. AIRE EGALE Les surfaces Les surfaces sont préservées au détriment des distances, formes et angles. Méridiens et parallèles se croisent obliquement. AZIMUTALE Les azimuts Certains chemins le plus court (arc de grand cercle) sur la sphère sont transformés en ligne droite: l'angle par rapport au Nord est préservé. Req.: Un même type de projection (conique) peut être conforme ou azimutale ou... dans certains cas.

33 LA PROJECTION CONIQUE Projection tangente Projection sécante La distortion augmente en s'éloignant du parallèle standard : la projection est généralement tronquée en des parallèles supérieur et inférieur. Pour la projection sécante, la distortion est moins forte.

34 LA PROJECTION CYLINDRIQUE MERCATOR : projection cylindrique conforme conservative pour les azimuts de lignes droites.

35 LA PROJECTION PLANE (= sur un plan) Le point de contact est appelé le FOCUS. Une projection polaire préserve les azimuts par rapport au pôle Nord. La distortion augmente de façon concentrique en s'éloignant du focus. La projection plane est donc plus adaptée à la représentation d'objets circulaires.

36 LA PROJECTION PLANE & SA PERSPECTIVE L'aspect d'une projection azimutale dépend autant du point de perspective que du focus. En fonction du point de perspective, on a une projection gnomonique, stereographique ou orthographique. La distortion dépend fortement de la perspective.

37 Projection de Winkel-Tripel

38 WGS84 (méridien international) Clarke80 (méridien de Paris) UTM (fuseau 31) Lambert II Lambert III

39 Résumé Systèmes de coordonnées Systèmes de référence cartésiennes (X, Y, Z) + Système de référence géographiques (Lat, Lon, Hauteur ellipsoïdale) + Système de référence + ellipsoïde planes (E, N) + Système de référence + ellipsoïde+ projection planes (E, N) + altitude + Système de référence + ellipsoïde+ projection + géoïde