Rapport de stage de Jérémie LINCY

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1 UMR AMAP Boulevard de la Lironde TA40 PS MONTPELLIER Université de Bretagne-Sud Institut Universitaire Professionnalisé Génie Informatique et Statistique Rue Yves Mainguy VANNES Rapport de stage de Jérémie LINCY GIS Conception et mise en œuvre d une base géoréférencée pour la gestion des données spatialisées du site d étude de Crique Plomb (Guyane française) Date de soutenance : juin 2002 Responsables du stage : Madame Michelle RAPHALEN, Maître de Conférences, IUP Monsieur Raphaël PÉLISSIER, Chargé de recherche, IRD Monsieur Laurent GAZULL, Chercheur Ingénieur, CIRAD

2 REMERCIEMENTS Je remercie Raphaël Pélissier, Daniel Sabatier, Jean-François Molino et Pierre Couteron avec lesquels j ai travaillé pendant tout ce stage. Ils m ont permis de comprendre l aspect biologique sur lequel ils travaillent. Je remercie également Laurent Gazull, qui m a fait découvrir le monde des Systèmes d Information Géographique, et Vincent Freycon qui, par les nombreux échanges que j ai pu avoir avec lui, m a beaucoup aidé concernant la modélisation conceptuelle des données. Enfin je remercie Michelle Raphalen, qui a su me conseiller tout au long de l évolution de ce stage. 2

3 RÉSUMÉ Ce rapport de stage présente les Systèmes d Information Géographique (SIG) en général, leurs buts, leurs particularités, leurs enjeux. Il décrit ensuite les points importants de la modélisation cartographique et de la modélisation entité-relation. Enfin une application de SIG est détaillée : le SIG Guyane sur la zone d étude de Crique Plomb en Guyane française. Dans un premier temps il a fallu mettre en place le modèle conceptuel de données pour pouvoir répondre aux besoins des futurs utilisateurs du SIG. Dans un second temps deux méthodes on été développées pour l implantation logique des données : la première méthode crée un lien entre une base ACCESS (Microsoft) et le logiciel ARCVIEW (Esri) ; la seconde utilise les fonctionnalités du langage ArcObjects (largement inspiré de Visual Basic) pour gérer la base de données entièrement sous ARCVIEW (Esri). Finalement, pour des raisons de facilité d utilisation, la seconde option a été choisie. Mots-clés : Cartographie ; Couche ; Entité ; Modèle Conceptuel de Données ; Modèle Logique de Données ; Relation ; Système d Information Géographique. ABSTRACT The following report presents the Geographic Information Systems in general, their aims, their particularities, their stakes. It also describes the important points of cartographic modelisation and of entity-relation modelisation. The final part is an application of GIS in full details : The Guiana GIS on the research zone of Crique Plomb in French Guiana. To start with we had to put up the conceptual data model in order to be able to answer the needs of any prospective GIS user. Then two methods were developped for the logical data implantation : the first method creates a link between an ACCESS base (Microsoft) and the ARCVIEW (Esri) software ; the second method uses the functionnalities of the ArcObjects language (widely inspired by Visual Basic) to manage the data base under ARCVIEW (Esri).It is the second option that was finally chosen because it proved easier to use. Key-words : Cartography ; Layer ; Entity ; Conceptual Data Model ; Logical Data Model ; Relationship ; Geographic Information System. 3

4 TABLE DES MATIÈRES 1. INTRODUCTION QU EST-CE QU UN SIG? LE CADRE DE L ÉTUDE Le programme écosystèmes tropicaux Le site d étude Les organismes concernés TRAVAIL DEMANDÉ Mise en place de la structure du SIG Les données LES SYSTÈMES D INFORMATION GÉOGRAPHIQUE DÉFINITION ET PRÉSENTATION LES SIG DANS LA VIE DE TOUS LES JOURS ENJEUX DES SIG L aide aux politiques de gestion, planification et décision L assistance aux pays en développement L aide à la recherche LES COMPOSANTS NÉCESSAIRES AUX SIG UN SIG : DE NOMBREUX OUTILS DE SAISIE ET D ANALYSE La saisie de données Manipulation Gestion Interrogations et analyses Visualisation LES DONNÉES POUR LES SIG Les différents types de données Où trouver les données? LES TECHNOLOGIES LIÉES AUX SIG La Conception Assistée par Ordinateur (CAO) Traitement d image et GPS Système de Gestion de Base de Données (SGBD) LE SIG : UN REFLET IMPARFAIT DE LA RÉALITÉ 21 4

5 3. MODÉLISATION LA MODÉLISATION CARTOGRAPHIQUE La notion de couche Les contraintes liées aux couches Le mode vectoriel Le mode matriciel LA MODÉLISATION ENTITÉ-RELATION Définitions Construction analytique du schéma conceptuel Intérêt de la modélisation conceptuelle des données État des lieux de la modélisation Définitions et symbolisation propre au langage UML Exemples en langage UML UNE APPLICATION : LE SIG GUYANE OBJECTIFS CHOIX LOGICIELS Á PRIORI Perceptory ARCVIEW LE MODÈLE CONCEPTUEL DE DONNÉES Les entités à prendre en compte dans le modèle Notations propres à Perceptory LE MODÈLE LOGIQUE DE DONNÉES Le vocabulaire propre aux MLD Méthode 1 : indépendances partie factuelle/géographique Méthode 2 : ArcObjects Choix d implémentation CONCLUSION 38 RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES 39 GLOSSAIRE 41 ANNEXES 43 5

6 1. Introduction Ce stage, qui s'est déroulé à l UMR AMAP (botanique et bioinformatique de l Architecture des Plantes), a consisté à mettre en place un Système d Information Géographique (plus communément appelé SIG) dont le but sera de gérer des informations cartographiques (réseau hydrographique, géologie, etc.) ainsi que des relevés de terrain d'une équipe de recherche en écologie travaillant sur la forêt guyanaise. Le SIG sera conçu de manière à pouvoir également permettre l analyse de données de télédétection 1 obtenues ou à obtenir sur différents sites d étude localisés en Guyane Française. Ce travail s inscrit dans le cadre d'un projet intitulé "Evaluation multi-échelles de la diversité spécifique, structurale et fonctionnelle des arbres en forêt guyanaise : prise en compte du substrat géologique, des sols et de la dynamique sylvigénétique" financé par le programme "Ecosystèmes Tropicaux " du Ministère de l'aménagement du Territoire et de l'environnement. 1.1 Qu est-ce qu un SIG? Un Système d Information Géographique est un outil informatique permettant de représenter et d analyser tous les éléments qui existent dans un espace géographique donné ainsi que tous les évènements qui s y produisent. Les SIG offrent toutes les possibilités des bases de données (telles que les requêtes et analyses statistiques) ainsi qu'une visualisation unique et une analyse géographique propres aux cartes. Ces capacités spécifiques font du SIG un outil unique, accessible à un public très large et s adressant à une très grande variété d applications. Les enjeux majeurs auxquels nous avons à faire face aujourd hui (environnement, démographie, santé publique, etc.) ont tous un lien étroit avec la géographie. De nombreux domaines sont directement concernés : la recherche et le développement de nouveaux marchés, l étude d impact d une construction, l organisation du territoire, la gestion de réseaux, le suivi en temps réel de véhicules, la protection civile, etc. On les utilise notamment pour créer des cartes, intégrer tout type d information, visualiser les différents scénarios, présenter les idées, appréhender l étendue des solutions possibles. Les SIG sont utilisés par tous : institutions publiques, entreprises, écoles, administrations, états. La création de cartes et l analyse géographique ne sont pas des procédés nouveaux, mais les SIG procurent une plus grande vitesse et proposent des outils sans cesse innovant dans l analyse, la compréhension et la résolution des problèmes. Leur avènement a également permis un accès à l information à un public beaucoup plus large. Aujourd hui, ils représentent un marché de plusieurs centaines de millions d euros et emploient plusieurs centaines de milliers de personnes. Ils sont enseignés dans les écoles, les collèges et les universités du monde entier. Les professionnels dans leur très large majorité sont directement concernés par les apports de la dimension géographique dans leur travail quotidien. 1 Les mots en italique dans le texte sont définis dans le glossaire 6

7 1.2 Le cadre de l étude Le programme écosystèmes tropicaux Titre : "Évaluation multi-échelles de la diversité spécifique, structurale et fonctionnelle des arbres en forêt guyanaise : prise en compte du substrat géologique, des sols et de la dynamique sylvigénétique". Responsable scientifique : Daniel SABATIER (IRD). Organismes partenaires : CIRAD ; INRA ; ENGREF ; LET ; Univ. Lyon I. Durée : 36 mois. Ce programme vise, dans une première étape, à analyser et comprendre, à l échelle d une région naturelle (en l absence de gradient climatique), l influence des causes de variation de la diversité spécifique et fonctionnelle du peuplement forestier arborescent : le substrat géologique et pédologique, et l intensité du régime de perturbations naturelles. La réalisation de ce programme permettra de proposer une méthodologie pour évaluer, à l échelle d une région écologique de Guyane française (le secteur de Crique Plomb), la part de diversité des arbres qui est organisée car imputable à la diversité des milieux, et structurée en groupes floristiques et/ou fonctionnels. La combinaison de l analyse phytoécologique des données acquises au sol avec une analyse par télédétection devrait en outre aboutir à l élaboration d outils de spatialisation (cartographie) et de prédiction des variations spatiales de la diversité sur de grandes surfaces. Ces méthodes et outils, d intérêt aussi bien théorique pour les écologues, que pratique pour les gestionnaires, seront testés et validés, dans le cadre d études ultérieures, sur d autres zones de Guyane française et à d autres échelles. 7

8 1.2.2 Le site d étude Drapeau de la Guyane Française Département français d Outre Mer (DOM). Population : habitants. Langue officielle : français. Superficie : km 2. Dans le carré rouge sur la carte ci-contre : la zone de la Crique Plomb. Carte de la Guyane Française (Leclerc, 2002) Dans le nord-est de l'amérique du Sud, entre le Surinam et le Brésil, la Guyane française constitue depuis 1946 un Département français d Outre-Mer (DOM), à l instar de la Martinique, de la Guadeloupe et de l île de la Réunion (dans l océan Indien). En tant que DOM, la Guyane fait partie de l'union Européenne et constitue plus précisément une région "ultrapériphérique" de l'europe. La Guyane forme le plus vaste (équivalant à 16 % du territoire de l Hexagone) et le moins peuplé des DOM. C est aussi la seule région d Amérique du Sud où la langue officielle n est ni l espagnol ni le portugais, mais le français. Avec le Surinam (de langue néerlandaise) et le Guyana (de langue anglaise), la Guyane française compose l une des trois Guyanes, territoires jadis délaissés par les Portugais et les Espagnols. Plus de 90 % de sa superficie est couverte par la Forêt Tropicale Humide. Lors du recensement de 1990, sa population était de habitants. En 1997, elle était estimée à personnes et devrait atteindre plus de en l an 2000, soit une densité de 2.1 habitant au km 2 (Barret, 2001). 8

9 Les études effectuées dans le cadre du programme mentionné en introduction se feront sur une portion de la zone de la Crique Plomb (dans le cadre rouge sur l image satellite). Ces études se basent sur un croisement des informations cartographiques à large échelle (relief, géologie), de données interprétées à partir de documents de télédétection haute résolution (géomorphologie) et de relevés de terrain (floristique, pédologie). Image satellite de la zone d étude Crique Plomb Les organismes concernés L'Institut de Recherche pour le Développement (IRD) est un établissement public à caractère scientifique et technologique, placé sous la double tutelle des ministres chargés de la Recherche et de la Coopération. Depuis cinquante ans, il conduit des recherches sur les milieux intertropicaux. Les recherches scientifiques de l'ird sont centrées sur les relations entre l'homme et son environnement dans les régions tropicales et méditerranéennes, dans la perspective d'un développement durable de ces régions. L institut est présent dans plus de 40 pays du monde tropical, en France métropolitaine et dans les DOM-TOM (IRD, 2002). Le CIRAD (Centre de coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement), partenaire de l'ird dans le projet "Crique Plomb" est un établissement public à caractère industriel et commercial spécialisé en recherche agronomique appliquée aux régions chaudes. Le CIRAD a pour mission de contribuer au développement rural des pays tropicaux et subtropicaux par des recherches, des réalisations expérimentales, des actions de formation, en France et à l'étranger. Ses activités recouvrent les domaines des sciences agronomiques, vétérinaires, forestières et agroalimentaires (CIRAD, 2002). 9

10 1.3 Travail demandé Ce stage a consisté en la conception d un SIG afin de pouvoir gérer et analyser les données spatialisées du site d étude de Crique Plomb Mise en place de la structure du SIG La première étape a été de définir un Modèle Conceptuel de Données (MCD) afin de déterminer toutes les entités qui sont à inclure dans le SIG ainsi que les relations pouvant exister entre ces entités. Ce travail a été réalisé en étroite collaboration avec les utilisateurs du SIG, afin de pouvoir cerner leurs besoins. C est la plus importante des étapes de la conception d un SIG. Elle permet de donner au concepteur du SIG une idée des besoins et des attentes de la communauté des utilisateurs Les données Les données qui seront intégrées par la suite au SIG sont variées. Dans un SIG on peut distinguer deux types de données : les cartes et les tables. Les cartes peuvent provenir de cartes déjà existantes (carte du relief, carte géologique, carte climatique, etc.) ou être le résultat de calculs effectués à partir de données présentes dans le SIG. Les tables de données sont remplies soit à partir de données déjà existantes, soit à partir de relevés effectués sur le terrain (ici La Crique Plomb). Ces données sont de type géologique, pédologique ou géomorphologique. 10

11 2. Les Systèmes d Information Géographique 2.1 Définition et présentation Un Système d Information Géographique (appelé communément SIG) est un ensemble de principes, de méthodes, d instruments et de données géoréférencées utilisé pour saisir, conserver, transformer, analyser, modéliser, simuler et cartographier les phénomènes et les processus distribués dans l espace géographique. Les données sont analysées afin de produire par exemple l information nécessaire pour aider les décideurs. Dans le cas présent, le SIG sera un outil utilisé pour assister la recherche. A partir d un fond de carte numérisé, on ajoute, à l échelle souhaitée, des couches successives d informations géoréférencées, concernant le sous-sol, les réseaux routiers ou de transport, la démographie, etc. Exemple de " couches " : Chaque couche représente un sousensemble " thématique" des informations retrouvées dans le SIG (Université Québec, 2002). En recoupant les différents plans d informations (ici les couches Clients, Bâtiments et Rues) on obtient une certaine vision de la réalité (voir schéma ci-contre). Les couches (ESRI, 2002) Aujourd hui, les SIG progressent constamment vers la recherche de solutions optimales de gestion et d analyse du territoire et servent principalement à : enregistrer l information sur le territoire questionner l information sur le territoire produire des cartographies thématiques analyser l information sur le territoire effectuer des simulations. 11

12 2.2 Les SIG dans la vie de tous les jours Dans notre monde actuel, plus vous avez d information pertinente à votre disposition, plus il est facile de prendre une décision réfléchie et construite. Les évolutions technologiques nous procurent une masse importante d informations provenant du monde entier sous des formes différentes (rapports, statistiques, multimédia, photographie numérique, etc.). Un SIG permet d exploiter toutes ces informations qui disposent d une localisation spatiale ou d une adresse. Á la différence d une carte papier, un SIG permet de visualiser sous forme de couches structurées toutes les informations dont on a besoin et d exclure celles qui sont inutiles. Cela permet d intégrer, visualiser, gérer, analyser, résoudre et présenter les informations d une façon tout à fait nouvelle. Les relations entre les informations apparaissent plus évidentes, leur apportant une valeur ajoutée indéniable. C est à partir de données d origines diverses, traitant de thématiques différentes qu il sera possible grâce à un SIG de produire une information nouvelle et pertinente apportant un nouvel éclairage sur le sujet traité (Roche, 1997). 2.3 Enjeux des SIG Les SIG ont plusieurs enjeux L aide aux politiques de gestion, planification et décision études d impact sur l environnement de travaux d infrastructure ou de construction gestion et protection des zones côtières ou des ressources naturelles (eau notamment) prévention des risques majeurs ou environnementaux et gestion des moyens de réaction ou secours (Plan Orsec) établissement des Plans d Occupation des Sols (POS). Actuellement, les SIG servent en priorité aux grands opérateurs de réseaux (Eau, Electricité et gaz, Télécoms). Les autres utilisateurs sont les collectivités locales de toutes tailles (communes, départements, régions) (SIG Strasbourg, 2000) L assistance aux pays en développement Les pays peu équipés en moyens classiques de gestion administrative ont besoin de SIG leur permettant de visualiser leur territoire et les activités agricoles ou économiques s y déroulant. Il en est de même en matière de gestion des risques : zones inondables, désertification, épidémies, etc. On retrouve en fait les applications en usage dans les pays développés. Mais alors que dans ces derniers, il est encore possible à la rigueur de se passer de SIG, ceux-ci, dès lors qu ils sont fournis à des coûts acceptables, et avec une ergonomie d utilisation suffisante, apparaissent indispensables dans les pays en voie de développement, où manquent sur le terrain les infrastructures administratives élémentaires. 12

13 2.3.3 L aide à la recherche C est dans ce cadre précis que nous nous situons. Les SIG permettent le stockage des informations cartographiques et des relevés obtenus sur le terrain lors des différentes missions. L intégration de ces données au sein d un SIG donne une plus grande souplesse d utilisation. Ainsi, par la suite, il sera plus facile de se localiser sur le terrain et de pouvoir effectuer des analyses statistiques selon des choix géographiques bien précis. 2.4 Les composants nécessaires au SIG Au niveau matériel, les SIG fonctionnent aujourd hui sur une très large gamme d ordinateurs qui va des serveurs de données aux ordinateurs de bureaux connectés en réseau ou utilisés de façon autonome. Les logiciels de SIG offrent les outils et les fonctions pour stocker, analyser et afficher toutes les informations. Les données sont certainement les composantes les plus importantes des SIG. Les données géographiques peuvent être constituées en interne ou bien acquises auprès de producteurs de données. Un SIG étant avant tout un outil, c est son utilisation (et donc, son ou ses utilisateurs) qui permet d en exploiter la quintessence. Les SIG s ouvrent à une très grande communauté d utilisateurs depuis ceux qui créent et maintiennent les systèmes, jusqu aux personnes utilisant dans leur travail quotidien la dimension géographique. Avec l avènement des SIG sur Internet, la communauté des utilisateurs de SIG s agrandit de façon importante chaque jour et il est raisonnable de penser qu à brève échéance, nous serons tous, à des niveaux différents, des utilisateurs de SIG. Enfin, il faut garder à l esprit que la mise en œuvre et l exploitation d un SIG ne peut s envisager sans le respect de certaines règles et procédures propres à chaque organisation. 2.5 Un SIG : de nombreux outils de saisie et d analyse La saisie de données Avant d utiliser des données papier dans un SIG, il est nécessaire de les convertir dans un format informatique. Cette étape essentielle depuis le papier vers l ordinateur s appelle digitalisation. Les SIG modernes sont capables d automatiser complètement ces tâches pour des projets importants en utilisant la technologie des scanners. D autres projets moins importants peuvent se contenter d une phase de digitalisation manuelle (table à digitaliser). Aujourd hui de nombreuses données géographiques sont disponibles dans des formats standards lisibles par les SIG auprès de producteurs de données et peuvent être directement intégrées Manipulation Les sources d information (comme celles décrites précédemment) peuvent être d origines très diverses. Il est donc nécessaire de les harmoniser afin de pouvoir les exploiter conjointement (c est le cas des échelles, du niveau de détail, des conventions de représentations, géoréférencement, etc.). Les SIG intègrent de nombreux outils permettant de manipuler toutes les données pour les rendre cohérentes et ne garder que celles qui sont essentielles au projet. Ces manipulations peuvent suivant les cas n être que temporaires (affichage) ou bien être permanentes pour assurer alors une cohérence définitive des différentes sources de données. 13

14 Réseau des principaux axes routiers en France (carte réalisée sous ArcMap) Ratio par région des femmes par rapport aux hommes en France (carte réalisée sous ArcMap) Au lieu d avoir deux cartes sur papier pour obtenir des informations, le SIG permet à partir des nombreuses données qu il contient d afficher d une manière souple et rapide l information qui nous intéresse (voir cartes ci-dessus : dans la colonne de gauche on sélectionne uniquement les éléments qu on veut afficher) Gestion Si pour les petits projets il est envisageable de stocker les informations géographiques comme de simples fichiers, il en est tout autrement quand le volume de données grandit et que le nombre d utilisateurs de ces mêmes informations devient important. Dans ce cas il est essentiel d utiliser un Système de Gestion de Bases de Données (SGBD) pour faciliter le stockage, l organisation et la gestion des données. Il existe de nombreux types de SGBD, mais en SIG le plus utilisé est le Système de Gestion de Bases de Données Relationnel (SGBDR). Les données y sont représentées sous la forme de tables utilisant certains champs comme lien. Cette approche offre une souplesse et une flexibilité sans équivalent, permettant aux SIG de s adapter à tous les cas de figure (Donsez, 2002). Les SIG permettent d améliorer l organisation par une plus grande fédération de l information. De nombreuses organisations qui ont intégré l usage d un SIG, ont constaté qu un des principaux bénéfices obtenus, concerne la gestion de leurs propres ressources. En effet, en permettant de lier entre elles toutes sortes d informations par le biais de la géographie, ils permettent également un meilleur partage d information et une meilleure communication entre les différents services (Baquiast, 1999) Interrogations et analyses Un SIG permet d exécuter des requêtes et analyses géographiques. Il peut être utilisé de différentes façons : une compagnie de télécommunication pour étudier le terrain afin de trouver le meilleur endroit où implanter une nouvelle antenne de téléphone cellulaire un biologiste pour étudier l impact d un plan de construction sur la nappe phréatique la police pour définir les zones à forte criminalité afin de déployer ses agents une équipe de pompiers pour prédire l extension d un feu de forêt selon la nature du terrain et le climat. 14

15 Les SIG procurent à la fois des outils simples d interrogation et de puissantes solutions d analyses accessibles à tous les publics. Les SIG modernes disposent de nombreux outils d analyse, mais deux d entre eux apparaissent comme particulièrement essentiels : l analyse de proximité Combien existe-t-il de maisons dans une zone de 100 mètres de part et d autre d une autoroute? Quel est le nombre total de clients dans un rayon de 10 km autour de ce magasin? Pour répondre à ces questions les SIG disposent d algorithmes de calcul appelés "buffering" afin de déterminer les relations de proximité entre les objets. Représentation par la technique du "buffering" des villes de Guyane française situées à moins de 20 kilomètres de Cayenne (carte réalisée sous ArcMap) l analyse spatiale L intégration de données au travers des différentes couches d information permet d effectuer une analyse spatiale rigoureuse. Cette analyse par croisement d information, si elle peut s effectuer visuellement (à l identique de calques superposés les uns aux autres) nécessite souvent le croisement avec des informations alphanumériques. Croiser la nature d un sol, sa déclivité, la végétation présente avec les propriétaires et les taxes payées est un exemple d analyse sophistiquée que permet l usage d un SIG. 15

16 2.5.5 Visualisation Pour de nombreuses opérations géographiques, la finalité consiste à bien visualiser des cartes et des graphes. Une carte vaut mieux qu un long discours. La carte est en effet un formidable outil de synthèse et de présentation de l information. Les SIG offrent à la cartographie moderne de nouveaux modes d expression permettant d accroître de façon significative son rôle pédagogique. Les cartes ont une place toute particulière au sein d un SIG. Le processus de fabrication d une carte avec un SIG est beaucoup plus souple qu une production manuelle ou automatisée. Il débute par la création de la base de données, les informations existant sur support papier peuvent être digitalisées et toutes les autres sources informatiques intégrées au sein du SIG (Booth, 2001). L information contenue dans le SIG est continue sur l ensemble du territoire et totalement indépendante des problèmes d échelle. Les cartes issues du SIG sont réalisées en fonction d une localisation choisie, d une échelle définie tout en faisant apparaître les informations souhaitées. La mise en évidence de certains phénomènes, la comparaison à différentes époques (voir cartes ci-dessous), la simulation d hypothèses sont quelques uns des avantages importants des cartes produites par un SIG. Situation géopolitique Europe/Afrique en 1992 (carte réalisée sous ArcMap) Situation géopolitique Europe/Afrique en 2000 (carte réalisée sous ArcMap) Les cartes créées avec un SIG peuvent désormais facilement intégrer des rapports, des vues 3D, des images photographiques et toutes sortes d éléments multimédias. L information géographique numérique est facile à partager et à exploiter. Elle devient une information essentielle dans de nombreuses organisations qui l utilisent comme cadre de référence utilisable par tous. La carte suivante est le résultat de plusieurs études sur l implantation d une nouvelle usine de traitements des eaux sur la commune de GreenValley. Réalisé grâce au SIG, ce document doit permettre de déterminer sur quelle parcelle il faut construire l usine. 16

17 Exemple de cartes produites par SIG (document réalisée sous ArcMap) 2.6 Les données pour les SIG Si l on considère un SIG comme un moteur, il est essentiel pour qu il fonctionne de l alimenter avec un carburant : les données Les différents types de données Les données cartographiques de base incluent les routes et autoroutes, les limites administratives, les noms de communes, les cours d eau, les espaces verts et d une façon générale toutes les informations habituelles disponibles sur une carte papier. Ces données sont majoritairement disponibles sous la forme raster. Les cartes et données sectorielles intègrent des informations sur la démographie, les habitudes de consommation, les aspects financiers, la santé, les télécommunications, le transports et de nombreuses autres informations. Ces données sont disponibles suivant le cas en format cartographique ou sous forme de données tabulaires. Le monde en format cartographique (copie d écran ArcCatalog) Le monde en format table (copie d écran ArcCatalog) 17

18 Les cartes et données environnementales réunissent les informations sur l environnement, le climat, les risques liés à l environnement, les images satellites, la topographie et les ressources naturelles. L image présentée est la composition colorée de trois images dites en monocanal. Ces trois images traduisent la scène chacune dans une couleur primaire. La composition de ces couleurs primaires produit ici une image en 256 couleurs. A l écran, le principe physique de la composition est la synthèse additive. Les couleurs primaires sont donc le rouge, le vert et le bleu (Muller, 2002). L image monocanal provient d un fichier numérique en l une des trois couleurs primaires : par exemple du noir (pour les valeurs numériques basses obtenues en particulier avec l eau profonde) au rouge vif (pour les valeurs numériques les plus hautes). Exemple d image satellite de la forêt de Counami en Guyane française (Kourou, 2001) Les cartes et données de références mondiales illustrent une représentation mondiale intégrant les frontières et toutes les informations liées à chaque pays (populations, revenus, PIB, économie, etc.) Où trouver les données? S il existe plusieurs offres de données en France et dans le monde, celles ci ne sont pas toujours exhaustives et compatibles les unes avec les autres. Cependant il faut noter que le nouveau site cartographique "National Geographic Society" offre un véritable atlas géographique sur internet. Dans notre cas, les sources de données principales sont "The Digital Chart of the World" (sur le net), l Institut Géographique National et le Bureau des Recherches Géologiques et Minières (données papier). 18

19 2.7 Les technologies liées aux SIG Si les SIG semblent proches d autres technologies telles que la Conception Assistée par Ordinateur, le traitement d image et la gestion de bases de données, ils demeurent les seuls outils adaptés à la visualisation et l analyse de données géographiques. S il n existe pas de règles établies pour positionner toutes ces technologies les unes par rapport aux autres, il existe certaines différences La Conception Assistée par Ordinateur (CAO) Un système de CAO a pour vocation d aider à la conception et à la modélisation de bâtiments, d infrastructures et de produits manufacturés. Un système de CAO procède par assemblage d éléments dont les caractéristiques sont fixes pour réaliser une infrastructure globale. Ces systèmes requièrent quelques règles (spécifiant comment assembler ces composants) et des capacités d analyse très limitées. Si certains logiciels de CAO sont proposés pour la mise en œuvre de solutions SIG, leurs capacités demeurent très réduites et inadaptées pour l analyse et la gestion d importantes bases de données géographiques Traitement d image et GPS Le traitement et l interprétation d image sont à la fois l art et la science permettant de mesurer notre planète grâce aux satellites, à la photographie aérienne et à l utilisation des GPS. Ces différentes sources d images et de mesures, permettent la collecte d informations qui seront traitées, visualisées, analysées et interprétées (Freycon, 1998). Ils ne peuvent pas être comparés aux SIG car comme ils ne traitent que les images ils ne permettent pas d analyser et de gérer les nombreuses autres grandes familles de données. Les solutions de traitement d images n en demeurent pas moins des auxiliaires précieux aux SIG dans leur ensemble Système de Gestion de Base de Données (SGBD) Les SGBD sont spécialisés dans le stockage et la gestion de tous types d informations y compris les informations géographiques. Ils sont optimisés pour stocker et retrouver des informations. De nombreux SIG s appuient sur ces capacités des SGBD pour organiser et localiser leurs données. Mais le rôle des SGBD s arrête là, car ils ne disposent pas des outils de visualisation et d analyse propres aux SIG. 2.8 Le SIG : un reflet imparfait de la réalité Un SIG est un reflet imparfait de la réalité parce qu on ne peut pas tout représenter, il faut choisir les entités géographiques pertinentes. De plus, il est imparfait car il faut toujours simplifier la réalité. Les SIG reposent sur des modèles. Il est nécessaire de modéliser la réalité explicitement afin de la structurer. Les modèles explicites se présentent habituellement sous forme de schémas. Cependant, aucun système d information ne peut fonctionner à partir de son modèle conceptuel uniquement. Les modèles ne sont que des conceptions logiques qui servent à guider précisément la structuration du système. Ils doivent être mis en œuvre par une structure logique implantée informatiquement. 19

20 Les deux types essentiels de modèles composant généralement les SIG sont : le modèle cartographique qui illustre par quel type d entité graphique (points, lignes, polygones, etc.) sont représentées les entités géographiques matérialisées et comment ces entités seront réparties sur différentes couches le modèle conceptuel qui illustre les différentes entités (conceptions de l esprit, géographiques ou non : lac, zone géologique, station, etc.), et les relations qui existent entre ces dernières (le lac se trouve dans telle zone géologique, etc.). 20

21 3.1 La modélisation cartographique 3. Modélisation La modélisation de la réalité constitue la première étape de réalisation d un système d information. Dans le cas des systèmes d information géographique, il faut essentiellement prévoir comment les différentes entités seront réparties en couches, par quels types d éléments graphiques (ou cartographiques) elles seront représentées, et comment elles seront reliées logiquement entre elles La notion de couche Un SIG stocke les informations concernant le monde sous la forme de couches thématiques pouvant être reliées les unes aux autres par la géographie. Ce concept, à la fois simple et puissant a prouvé son efficacité pour résoudre de nombreux problèmes concrets. Une couche est un plan réunissant normalement des éléments géographiques de même type. La notion de couche peut être associée, par exemple, à celle des couches transparentes portant le dessin des différents éléments retrouvés sur les cartes topographiques. Une couche peut aussi être vue comme un compartiment logique du système d information (El Adnani, 2001). Quelques exemples de couches : couche des cours d eau couche des pentes couche des zones géologiques. De manière générale, on met sur une même couche un seul type d objet cartographique. Ainsi, on voit assez peu fréquemment une couche qui contient à la fois des points, des lignes et des polygones. La séparation en couches distinctes comportant des types d objets différents vient entre autres du fait que les programmes de dessin des objets géographiques diffèrent. Le traçage d une ligne n implique que le dessin de la ligne ellemême tandis que le traçage d un polygone demande le traçage de la ligne et le remplissage de l intérieur, ce qui fait appel à un autre sous-programme Les contraintes liées aux couches On mettra également sur une même couche des entités de même classe. Plus précisément, on prévoit une couche par entité géographique. On ne mettra jamais par exemple les routes et les fleuves sur la même couche. La contrainte vient de ce que les attributs qui caractérisent d une part les routes ne sont pas les mêmes que ceux qui caractérisent les fleuves et que, en général, on associe une couche à une table d attributs. Afin de démontrer les problèmes résultant d un tel arrangement, voyons à quoi pourrait ressembler une table d attributs pour une couche où apparaîtraient des routes et des fleuves : Nom Numéro Longueur Source Type Loire 1100 km Ardèche km Nationale Seine 776 km Bourgogne km Départementale 21

22 A chaque élément (section de route, section de fleuve) correspond un enregistrement (une ligne) de la table. Puisque les attributs ne sont pas les mêmes pour l entité route et l entité rivière, beaucoup de cellules de la table ne peuvent être remplies. C est une solution peu pratique et peu rentable en terme d espace. La règle à retenir est de ne pas mettre sur une même couche des entités décrites par des ensembles d attributs différents. On voit habituellement une entité géographique être caractérisée par un tandem couche-table. Souvent, les entités figurant dans le schéma conceptuel occupent chacune leur propre couche. Un autre problème lié à la notion de couche est l absence de lien explicite entre les couches. Ceci peut causer certains ennuis lorsque deux lignes placées sur des couches différentes devraient se superposer parfaitement mais, à cause d imprécision dans la numérisation et de l absence de lien logique, elles s écartent légèrement l une de l autre. Finalement, on retiendra la règle de conception suivante : UNE ENTITE = UNE COUCHE Tout manquement à cette règle occasionnerait des problèmes de structuration tout au long de la constitution du SIG. La modélisation cartographique peut s appliquer aux couches vectorielles ou matricielles mais est beaucoup plus développée dans le premier cas. Ceci tient au fait que la notion d objet n existe pas à proprement parler dans le mode matriciel. Le choix de représentation par un objet cartographique ne se présente donc pas directement (Pornon, 1990) Le mode vectoriel La modélisation cartographique vectorielle demande que l on associe un objet graphique, aussi appelé cartographique, à une entité géographique. Un site d étude peut ainsi devenir un point, une rivière peut devenir une ligne, un lac un polygone, etc. Idéalement, on modélise de façon fonctionnelle (point, ligne, polygone) puis on associe une symbolisation à l entité (Parent, 1997 ; Libourel, 1996). On choisira parfois d utiliser deux modèles pour représenter un phénomène. Ainsi, une rivière est à la fois un espace dont il faut connaître la configuration spatiale précise, c està-dire le tracé des deux rives (si la rivière est large), mais aussi une voie de navigation dont il importe principalement de connaître les branchements à d autres voies (autres rivières, fleuves). En ce cas, on mettra un modèle plus graphique sur une couche et un modèle plus topologique sur une autre couche. Chaque représentation a donc une fonction différente. Cette structuration facilitera l utilisation de l information. On utilisera par exemple le modèle graphique pour la représentation cartographique et pour un calcul de la superficie de tronçons de rivière, tandis que le modèle topologique servira à déduire le parcours d un polluant dans le réseau hydrographique de même qu à calculer la longueur des tronçons. Il faut savoir de plus que les échanges entre les SIG, souvent compliqués par les différences de structures et de formats, peuvent être carrément impossibles à cause des différences dans la modélisation des entités. Les objets cartographiques simples sont de dimension 0 (point), 1 (ligne) ou 2 (polygone). 22

23 3.1.4 Le mode matriciel La modélisation en mode matriciel procède d une toute autre façon que celle, beaucoup plus riche, qui se fait en mode vectoriel. Une matrice est normalement formée d éléments de forme et de taille uniformes appelés pixels. Ceux-ci, contrairement aux coordonnées (X,Y), possèdent une superficie. Les points, lignes et polygones sont donc toujours représentés par des surfaces. C est le fait de visualiser la matrice qui peut nous renseigner sur le type topologique des différentes unités. Une ligne sera par exemple un long groupe de pixels très étroit. En résumé, ici, la notion d entité géographique de même que la notion d objet cartographique n existe pas vraiment. On retrouve simplement des groupes de pixels contigus ayant les mêmes valeurs. Les pixels qui ne correspondent à aucune entité porte souvent zéro comme valeur. Ils sont toutefois présents dans la matrice et occupent le même espace géographique et informatique. Les couches matricielles sont composées de pixels qui sont simplement des valeurs numériques. La plupart du temps, ces valeurs reflètent la classe du pixel (par exemple le type de sol) ou l envergure du phénomène (par exemple la pente). Très souvent, ils ne renseignent pas sur l identifiant de l entité géographique. Ainsi on ne présente pas, comme c est le cas dans la modélisation vectorielle, les identifiants et les coordonnées d une part, et les identifiants et les attributs d autre part. On présente seulement les attributs. Dans le cas où plusieurs attributs sont rattachés à des entités géographiques, il peut être utile de créer d abord une matrice d identifiant et, à partir d une table d attributs, créer des matrices contenant les valeurs d attributs (Université Québec, 2002). 3.2 La modélisation entité-relation Les concepteurs de bases de données classiques connaissent bien l intérêt de passer par une étape de modélisation conceptuelle avant d aborder la modélisation logique. La première ne s intéresse qu à représenter le plus fidèlement possible les caractéristiques intrinsèques des données de l application, sans se soucier de leur mise en œuvre. La deuxième, au contraire, vise à décrire les données conformément aux spécificités du logiciel qui sera utilisé pour en assurer la gestion. La modélisation entité-relation consiste à schématiser la portion du monde réel qui sera représentée dans une base de données. On y voit principalement les entités (par exemple : personne, bâtiment) et des relations entre les entités (par exemple : personne possède bâtiment). La modélisation se traduit par un schéma conceptuel (Delobel, 1982). La modélisation est un outil de conception de même qu un outil de communication. Elle comporte les avantages suivants : la distinction entre le niveau conceptuel et le niveau implantation rend le travail de conception plus simple et plus clair la modélisation conceptuelle n est pas entravée par les limites du SGBD sur lequel la base de donnée sera implantée le schéma conceptuel est plus stable que la structure d une base de données, qui changera lorsqu on transfère les données d un système à l autre 23

24 le schéma entité-relation peut être plus aisément compris que la structure des données par quelqu un qui connaît peu les systèmes d information le perfectionnement de la base de données par un nouvel intervenant est facilité par le schéma conceptuel Définitions On retrouve dans un modèle entité-relation les éléments fondamentaux suivants : Entité Objet pourvu d une existence propre et conforme à la fonction occupée par l objet dans le système d information. Relation Association fonctionnelle entre deux entités. Une relation peut être établie entre une entité et elle-même : on parle alors de relation réflexive. Attribut Ce qui est propre, appartient particulièrement à un être, à une chose. Dans le domaine des SIG, l attribut décrit une caractéristique spatiale, thématique ou temporelle d une entité ou d une relation. Le choix des attributs dépend des résultats à atteindre et du contexte d implantation du système d information. Les attributs d'une rivière, par exemple, peuvent comprendre son nom, sa longueur, sa profondeur moyenne, etc. Cardinalité Elle renseigne sur le nombre précis d occurrence de part et d autre d une relation. Multiplicité des associations (cardinalité) : 1 un et un seul 0..1 zéro ou un M..N de M à N * plusieurs (= 0..*) 1..* d un à plusieurs Construction analytique du schéma conceptuel La construction du schéma conceptuel comporte normalement les étapes suivantes : définir les objectifs analyser la réalité tracer le schéma conceptuel. La partie analytique consiste essentiellement à transformer des phrases décrivant certains aspects de la réalité en entités, relations et cardinalités. La partie qui consiste à tracer le schéma conceptuel peut être grandement facilitée par l utilisation d un logiciel de conception, appelé Atelier de Génie Logiciel. Ces logiciels sont en général capables de générer automatiquement à partir du schéma des instructions pour créer les tables relationnelles, les attributs, les règles d intégrité, les relations et le dictionnaire de données pour un SGBD particulier (exemples d atelier de génie logiciel : Info Modeler, Chen DB-Designor, System Architect, Perceptory). 24

25 On notera que la modélisation entité-relation ne s applique pas au monde matriciel, monde où ni les entités (objets intègres), ni les relations ne sont représentables puisque la réalité se désintègre en pixels Intérêt de la modélisation conceptuelle des données Le premier avantage des modèles conceptuels est d être à la portée des utilisateurs. Ceuxci peuvent ainsi exprimer dans un formalisme particulier, sans les ambiguïtés de la langue naturelle, leur connaissance des données applicatives et participer activement à l élaboration du schéma conceptuel. Le résultat obtenu est bien meilleur et, parce qu il est indépendant de l outil informatique qui assurera sa mise en œuvre, restera valable en cas de changement technologique (seule la traduction du schéma conceptuel en schéma logique est affectée). Au rythme actuel de l évolution technologique, notamment pour les outils SIG, ceci est un facteur clé de flexibilité car il réduit les coûts et augmente les chances de réussite d un transfert vers une nouvelle technologie. Enfin, la modélisation conceptuelle, par sa lisibilité, facilite les échanges d informations entre partenaires d organisation différentes. A l époque où l accès via Internet à des sources d informations extérieures devient une banalité et une nécessité, la capacité à comprendre la sémantique des informations obtenues est déterminante pour leur utilisation correcte Etat des lieux de la modélisation Aujourd hui, la conception de logiciel est effectuée dans le paradigme orientée-objet (David, 1993 ; Claramunt, 1997). Cette conjoncture a amené certaines compagnies comme ESRI à redéfinir leur conception logique des données tout en modifiant également leur approche de la programmation. Le standard aujourd hui le mieux établi, et récemment adopté par ESRI pour son modèle de base de données géographique, se nomme Unified Modeling Language (UML). Ce langage très riche permet de modéliser les données, les flux, les évènements, etc. Il constitue la fusion d efforts en ce sens émanant de Grady Booch, Ivar Jacobson, Jim Rumbaugh (Booch, 1999). Il est dans l ensemble d une complexité qui dépasse actuellement les besoins en modélisation de données, mais son modèle de classes d objets statiques peut être très bien utilisé pour la modélisation entitérelation Définitions et symbolisation propre au langage UML Agrégation L agrégation est une opération consistant en la construction de composantes plus complexes à partir de composantes constitutives. Elle permet d obtenir des niveaux d abstraction élevés à partir de composantes ne possédant pas de similitude de nature ou de définition, mais faisant partie d une même filiation thématique. Son résultat peut avoir une nature différente de celle des composantes agrégées, il n y a donc pas d héritage entre les différents niveaux hiérarchiques. La relation d agrégation est souvent traduite sémantiquement par "est composé de". Association Représentation d une relation entre 1, 2 ou n classes (la plupart du temps entre 2 classes). 25

26 Spécialisation Mécanisme permettant de définir une classe (la sous-classe) à partir d une autre classe (la super-classe) tout en l affinant. L affinement peut consister en l ajout d attributs, l ajout ou la redéfinition d opérations. La sous-classe présente en plus de ses propres propriétés toutes les propriétés de sa super-classe. La relation de spécialisation est souvent traduite sémantiquement par "est un". Symbolisation relation d agrégation relation d association relation de spécialisation Exemples en langage UML Agrégation Livre Page Un livre est composé de pages. Association Triangle * a pour sommet > 3 Point Un triangle a pour sommet 3 points. Un point peut être le sommet d un ou plusieurs triangles. Spécialisation Barque Bateau Voilier Une barque est un bateau. Un voilier est un bateau. 26

27 4. Une application : le SIG Guyane 4.1 Objectifs Les utilisateurs attendent un SIG simple et d utilisation courante. Il est primordial de mettre en place une bonne stratégie de récupération de l information. Le modèle de données décrit dans la suite de ce document à trois objectifs principaux : organiser de manière pratique et standardisée l information recueillie afin de faciliter le développement d outils d analyse sous SIG répondre à un besoin des personnes impliquées en matière de gestion des données obtenues par les missions sur le terrain (saisie, stockage et analyse) proposer un modèle de données de base solide que les différents utilisateurs pourront facilement s approprier, et faire évoluer en fonction de leurs besoins propres. Pour satisfaire ces objectifs, le modèle de données a été réalisé dans un souci constant de simplicité et de souplesse. Il se veut être suffisamment générique en ce qui concerne l identification des entités. L utilisateur devrait pouvoir identifier sans difficulté dans quelle table ajouter un nouvel attribut en fonction de l entité à laquelle il appartient et par analogie aux attributs du même type qui ont été retenus. 4.2 Choix logiciels à priori Perceptory (module de Microsoft VISIO) Un éditeur de schémas conceptuels non accompagné de traducteurs est essentiellement un moyen de documenter le travail d analyse et de conception de la base de données. C est le cas du module Perceptory, développé par Yvan Bédard sur le logiciel VISIO de Microsoft, qui permet d avoir à la fois les deux modèles conceptuel et cartographique sur un seul et même schéma, ce qui est appréciable étant donné que peu d outils permettent cette double représentation aujourd hui (Bédard, 2002). En effet, la plupart occultent totalement l aspect géométrique. Le module Perceptory du logiciel VISIO 27