Gestion des risques naturels : Une approche fondée sur l intégration des données THESE

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1 Ecole Doctorale Informatique et Information pour la Société Hajji Hicham 27ème Section Informatique LIRIS (Laboratoire d InfoRmatique en Image et Systèmes d information) Gestion des risques naturels : Une approche fondée sur l intégration des données THESE Pour l obtention de grade de Docteur en Informatique à l Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, INSA-Lyon Lyon, France. Jury : Elisabeth Metais : Hervé Martin : Gérard Brugnot : Mohand-Saïd Hacid : Robert Laurini : Nourdine Badji : Jean-Pierre Asté : Rapporteur Rapporteur Examinateur Directeur de thèse Examinateur Examinateur Invité Dans le cadre d une convention CIFRE avec L entreprise GIPEA

2 Table des matières 1 Introduction De l information géographique à la prévention des risques Contexte Problématique Contributions Organisation du mémoire État de l art sur les systèmes d information géographiques et les risques naturels Introduction Plan du chapitre L approche PPRR La mitigation La préparation La réponse La réhabilitation Données / Phases du PPRR La mitigation La préparation La réponse La réhabilitation Les Systèmes d Information et les risques naturels Les Systèmes d Information Géographiques Les contraintes liées au développement de système d information pour la gestion des risques naturels L hétérogénéité des données impliquées dans la gestion des risques naturels Hétérogénéité des systèmes Hétérogénéité syntaxique Hétérogénéité structurelle Hétérogénéité sémantique L intégration des données dans les systèmes d information Intégration de données géographiques L application des SIG dans la gestion des risques naturels La modélisation du risque La surveillance des phénomènes

3 TABLE DES MATIÈRES La cartographie du risque La procédure d évacuation L organisation des secours La réhabilitation : l évaluation des dommages et des dégâts Les expériences des entreprises publiques dans la gestion des risques Les systèmes pour la protection de l environnement L incertitude et les risques naturels Les SIG et l évaluation de la vulnérabilité Les initiatives à l échelle nationale L exemple Américain L exemple Français La diffusion de l information géographique sur les risques L exemple Anglais L exemple Canadien L exemple Australien L initiative INSPIRE : INfrastructure for SPatial InfoRmation in Europe Conclusion Quelques applications relatives aux risques naturels Introduction Contributions Le système EMMA Introduction La prévention du risque avalanche La connaissance historique des phénomènes L information préventive de la population La préparation aux situations de crise La prise en compte du risque avalanche dans l aménagement du territoire Proposition La présentation du système EMMA Le territoire Le phénomène avalanche Les procédures de mise en sécurité L architecture et les modules du système EMMA L architecture du système EMMA Le module cartographique Le module d information sur les bâtiments Le module d information sur les avalanches Le module de Vulnérabilité Le module d estimation pour l évacuation des personnes en danger Conclusion Le système SysPPR Introduction L approche traditionnelle d un Plan de Prévention multirisques Présentation du système SysPPR Les utilisateurs

4 TABLE DES MATIÈRES la structuration des données disponibles l aide à l identification des aléas La caractérisation des éléments exposés et de leur vulnérabilité L évaluation quantifiée des pertes et préjudices La communication et l information Bilan et perspectives Le système GéoInfo Introduction La description géotechnique du sous-sol L information géotechnique Présentation du système GéoInfo L architecture de GéoInfo Les utilisateurs Les Modules de GéoInfo L accès aux données Les sources de données Conclusion Architecture d un système d information intégré pour la gestion de risques naturels Introduction Proposition d une architecture d un système d information intégré pour la gestion des risques naturels Architecture fonctionnelle Le module de surveillance des phénomènes Le module d évaluation Le module de communication et d information Le module d action Architecture Logicielle Le module d acquisition des données Le Module de visualisation des données La visualisation cartographique La réalité virtuelle Animation visuelle en temps réel Les hypercartes La cartographie des risques sur le Web Le module d intégration de données La gestion des documents sur les risques naturels L utilisation des ontologies dans la gestion des risques naturels Intégration des données Proposition d une ontologie pour les risques naturels Le langage d ontologie OWL Logiques de description Les composantes de l ontologie Les concepts Les relations entre les concepts Les relations entre les concepts relatifs aux risques

5 TABLE DES MATIÈRES Liens entre relations Définition La construction de l ontologie pour la gestion des risques naturels Un concept Expression des rôles Déclaration des individus Expression de la relation de spécialisation Les conditions nécessaires pour la définition des concepts Les conditions nécessaires et suffisantes pour la définition des concepts L hypothèse du monde ouvert La classification et la vérification de consistance L ontologie pour les ressources sur les risques naturels Implantation de l ontologie avec Protégé Un extrait de l ontologie Intégration des données : Une méthode basée sur le modèle OpenGIS Exemple de motivation dans le domaine de la gestion des risques naturels Le rôle de l OpenGIS dans l intégration et le partage des données Le modèle sémantique de l OpenGIS Les étapes de la méthodologie pour l intégration des données Définir l objectif du système à construire Définir les informations à collecter L intégration des sources de données Analyser les schémas Conclusion Conclusion Contributions de la thèse Perspectives L automatisation de l acquisition des connaissances relatives aux risques naturels La modélisation spatio-temporelle des risques L utilisation des services Web La communication sur le risque A Description des sources DGI, PCI, et GéoRoute 157 A.1 DGI A.1.1 Le fichier des propriétés bâties (FPB) A.1.2 Le fichier des propriétés non bâties (FPNB) A.1.3 Le fichier des propriétaires (FP) A.1.4 Le répertoire informatisé des Voies et Lieu-dits (RIVOLI) A.1.5 Le fichier de la taxe d habitation (FTH) A.1.6 Le plan cadastral A.2 PCI A.3 GéoRoute B Une ontologie pour la gestion des risques naturels

6 Liste des tableaux 2.1 Quelques exemples de conflits sur les données géographiques Exemples d application des SIG dans la gestion des risques naturels à une échelle locale Récapitulation des fonctionalités et des critiques du système EMMA Récapitulation des fonctionalités et des critiques du système SysPPR Récapitulation des fonctionalités et des critiques du système GéoInfo Syntaxe de quelques constructeurs de concepts Exemples de relations sémantiques entre les concepts Exemples de concepts avec la syntaxe OWL Exemples d axiomes avec la syntaxe OWL Identification des sources disponibles pour les éléments exposés Exemple de deux classes d éléments exposés à intégrer : Exemple A.1 La structure du fichier des Propriétés Bâties A.2 Une autre représentation de la structure du fichier des Propriétés Bâties

7 Table des figures 1.1 La relation entre les décideurs, le territoire, et le système d information pour l aide à la décision, d après Laurini 2001 [81] Les étapes de construction d un système d information pour les risques naturels La progression entre le triplet données-informations-connaissances, d après Sena et Shani 1999 [108] Les phases du cycle de gestion des risques naturels Description des phases du cycle de gestion des risques naturels La structure d un système d information géographique, d après Laurini 2001 [81] Différentes représentations des données spatiales Quelques contraintes reliées au développement de système d information sur la gestion des risques naturels Interopérabilité en SIG Différentes structures du concept rue La description de l information spatiale SIG multi-représentation obtenu à partir d un processus d intégration et d appariement, d après Devogele 1997 [35] Le modèle numérique de terrain Exemple de deux images satellitaires prises en deux instants différents surveillants un volcan Carte des communes soumises au risque de mouvement de terrain Plan d évacuation du Hurricane Jupiter, Source : FEMA Evaluation de la vulnérabilité à partir de la connaissance des enjeux et des aléas L initiative INSPIRE : Infrastructure for Spatial Information in Europe Les fonctionalités et les caractéristiques d un système d aide à la décision, d après Turban et Aronson 1998 [123] La structure d un système d aide à la décision spatiale, adapté à partir de Laurini 2001 [81] Une synthèse des systèmes d information développés et leurs relations avec les procédures de gestion des risques naturels Exemple du phénomène avalanche Les éléments constitutifs de la prévention du risque avalanche La carte CPLA ARVAN-GLANDON ; Cemagref-IGN ; 1993, Source Cemagref IGN Les cas d utilisation dans le système EMMA Dénombrement des personnes à mettre en sécurité Les modules du système EMMA Architecture du système EMMA

8 TABLE DES FIGURES 3.11 Les informations gérées par le système EMMA L interface graphique pour affichage des éléments du territoire Interfaces d affichage du système EMMA Le schéma de la base de données sur les bâtiments Affichage des informations sur les avalanches qui touchent le bâtiment sélectionné Les cas d utilisation du système PPR Architecture du système PPR Un extrait des données gérées par SysPPR Affichage des zones menacées par les inondations et les mouvements de terrain Exemples d applications de l indice IRIS dans le système SysPPR Bilan des éléments de valeur affectés pour une zone d aléa définie Exemple de log de sondage Les cas d utilisation du système GéoInfo Architecture de GéoInfo Le diagramme d activité de GéoInfo Hiérarchie des données dans GéoInfo Le diagramme de séquence UML de GéoInfo Exemple de fichier de mesures géotechniques Le module d import des fichiers issus directement des appareils de sondages Exemples de Logs sondages produits par GéoInfo Les classes ADO utilisées dans le système Le diagramme UML de déploiement de GéoInfo Les Données de GéoInfo Architecture du système d aide à la décision pour la gestion des risques naturels Le module de surveillance et de contrôle Détermination des hauteurs de vol au droit d un filet d interception par 3D Traj Affichage et réglage de la matrice d endommagement sur le paramètre hauteur d eau dans le cas des inondations La présentation des textes spécifiques aux risques naturels pour information du publique et des responsables Exemple de maillage triangulaire d un front rocheux à partir du relevé d une série de profils Exemples de techniques de visualisation appliquées à des risques naturels Un exemple d hyperdocumentation dans la gestion des risques d inondation par les ruisseaux du Grand Lyon Exemple de fichier GML Intégration des données dans le système proposé de référence L interaction entre les éléments dans l ontologie Quelques exemples de concepts modélisés dans l ontologie Les relations entre les concepts de l ontologie Hiérarchie de la relation Affecte Le concept document Interface graphique de protégé montrant certains concepts modélisés dans l ontologie Déclaration des instances des documents dans l ontologie Les statistiques des éléments présents dans l ontologie Le modèle sémantique de l OpenGIS

9 TABLE DES FIGURES 4.20 La classe des métadonnées et ses composantes Les étapes de la méthodologie d intégration proposée pour la gestion des risques naturels Intégration des sources de données pour avoir une vue consolidée sur chaque élément exposé Extension de la classe MDMetadata Extension de la classe Thème La classe ObjetGM et ses composantes Les étapes de l intégration des schémas, d après [35] Instances de la classe MD ReferenceSystem Instances de la classe MD Metadata Instances de la classe MD Identification Instances de la classe MD Quality Instances de la classe MD Maintenance Instances de la classe MD SpatialRepresentation Instance de la classe MD ContentIdentification Instance PCI de la classe GM Object Instance GéoRoute de la classe GM Object Assertions sur les parcelles Assertions sur les subdivisions fiscales Deux unités d analyse différentes (le bâtiment et le local) à intégrer présentes dans les deux sources Assertions sur les bâtiments et les locaux Assertions sur les Lieux-dits La préservation des classes La fusion des classes L union des classes L intersection des classes La partition des classes La généralisation des classes La spécialisation des classes La généralisation-spécialisation des classes L union-intersection des classes A.1 Le modèle de données réduit pour la DGI A.2 Le modèle de données réduit du Plan Cadastral Informatisé A.3 Le modèle de données réduit de GéoRoute

10 Chapitre 1 Introduction Sommaire 1.1 De l information géographique à la prévention des risques Contexte Problématique Contributions Organisation du mémoire De l information géographique à la prévention des risques Ces dernières quinze années ont été marquées par l essor de l information géographique et un fort développement informatique, qui ont donné lieu à l avènement de la géomatique. Actuellement, les données géographiques, définies comme des données à référence spatiale, sont largement disponibles sous la forme traditionnelle des cartes, avec possibilité de numérisation manuelle ou automatique, sous forme de bases de données ou d images. Depuis la loi de juillet 1987, qui proclame le droit des citoyens à être informés sur les risques auxquels ils sont confrontés, toutes les enquêtes et tous les retours d expériences ont souligné le caractère primordial de l information en matière de prévention. Un effort sans cesse croissant lui a été consacré. De nombreuses réflexions ont porté sur les destinataires à toucher, sur les médias à utiliser ; l information est devenue en quelque sorte foissonnante. Les utilisateurs et demandeurs potentiels se sont multipliés au sein de la société : les professions, les collectivités, les institutions, et les associations sont devenues des parties prenantes. L information sur les risques naturels implique que toute personne concernée accède à certaines données. L accès ne suffit pas, il faut aussi que ces données soient comprises et utilisées pour ce qu elles sont, avec leurs incertitudes et défauts de précision. Ces étapes constituent une sorte de préalable relationnel à toute volonté, décision ou action de prévention, individuelle ou collective. 1.2 Contexte Depuis les années 1990, on assiste à une forte augmentation des catastrophes naturelles d origine climatique dans le monde (inondations, orages tropicaux, sécheresses) notamment dans les pays du Sud. Plus de 200 millions de personnes par an ont été touchées par des fléaux naturels ou des accidents technologiques depuis 1990, et plus de - 9 -

11 1.2 Contexte personnes sont tuées chaque année selon la Croix-Rouge. L un des exemples le plus frappant reste cependant le dernier Tsunami engendré par un séisme sous-marin majeur, qui a touché les pays du Sud-Est de l asie, dont le bilan porte à plus de le nombre total de personnes tuées. En plus de l impact 1 des catastrophes naturelles sur la vie de la population, leurs impacts socio-économiques sont souvent non négligeables, et se décomposent en deux types : d une part, les impacts tangibles (ceux qui peuvent faire l objet d une estimation monétaire car ils concernent des biens et des services marchands), et les impacts intangibles (qui, en l état actuel des connaissances, ne sont pas traduits en termes monétaires, comme la dégradation des milieux naturels et la perte de biens irremplaçables comme le patrimoine) ; d autre part, les effets directement liés aux phénomènes et les conséquences indirectes des événements. Confrontées à cette nouvelle donne, les Nations Unies et l Union Européenne ont renforcé les actions de prévention au plan international, et ont mis en place des instruments destinés à protéger les populations et l environnement. Le système des Nations Unies est présent sur deux fronts. D un côté, il s emploie à secourir au plus vite les victimes, principalement par l intermédiaire de ses organismes d exécution, et d un autre côté, il recherche des stratégies visant à prévenir les situations d urgence. Pour illustrer l importance accordée par les Etats à la gestion et la prévention des risques naturels, nous donnons ci-dessous un extrait des recommandations de la commission de l environnement au parlement européen, sur la gestion des risques naturels 2 : « Le Bureau de l Assemblée parlementaire, lors de sa réunion à Vienne, le 10 janvier 2005, a décidé de proposer à l Assemblée de tenir un débat d urgence sur l Europe et le désastre du tsunami, et a saisi la Commission de l environnement, de l agriculture et des questions territoriales pour avis. La Nécessité de mettre l accent sur la prévention et la préparation aux catastrophes naturelles 2. Le tsunami qui a frappé l Asie a provoqué la mort d environ personnes, aussi la prévention des catastrophes naturelles constitue-t-elle un élément clé du développement durable, à la fois en Europe et dans le monde. La gestion des ressources naturelles et l aménagement du territoire peuvent avoir une incidence considérable sur des événements naturels, tels que le raz de marée qui a frappé l océan Indien le 26 décembre En ce sens, le Programme des Nations Unies pour l Environnement (PNUE) a préconisé d intégrer la nature dans des systèmes d alerte rapide pour les catastrophes naturelles, puisque l environnement peut contribuer à prévenir les catastrophes naturelles. Les Nations Unies ont en outre souligné que des méthodes de prévention adéquates peuvent considérablement réduire le nombre de morts causés par de telles catastrophes. 4. En Europe, le Parlement européen a appelé la communauté internationale, sous la conduite des Nations Unies, à mettre au point un plan d action effectif et coordonné en cas de catastrophes. Le Parlement européen a en outre invité le Conseil de l Union européenne à appuyer la création d un pool d unités spécialisées de protection civile qui seraient disponibles en cas de catastrophes naturelles, humanitaires ou environnementales, ou de catastrophes associées à des risques industriels, dans l Union européenne ou dans le reste du monde. 1 Le terme impact recouvre généralement l ensemble des effets d un phénomène (préjudices, désordres, dommages). 2 source http ://assembly.coe.int/documents/workingdocs/doc05/fdoc10438.htm

12 1.2 Contexte L avenir : améliorer la planification et la réponse face aux catastrophes 5. La Conférence mondiale sur la prévention des risques liés aux catastrophes naturelles qui s est tenue à Kobé, du 18 au 22 janvier 2005, a fixé au nombre de ses priorités la mise en place d un système d alerte rapide aux tsunamis dans l océan Indien, similaire à celui qui fonctionne dans le Pacifique, et qui pourrait être opérationnel d ici 12 à 18 mois. Des institutions des Nations Unies, sous l égide de l UNESCO, commenceront les travaux, comme convenu à la Conférence de Kobé. 6. Le Conseil des Ministres de l Union européenne s est réunit le 31 janvier 2005 pour considérer les mesures envisagées par l Union européenne et ses Etats membres à moyen et long termes afin de formuler un plan d action opérationnel de l Union européenne, notamment la mise en place d un Corps européen d aide humanitaire. L Union européenne envisage d établir une unité de gestion des crises de l Union européenne et de coordonner la réponse de l Union face à des catastrophes futures, suite au tsunami qui a frappé l océan Indien. 7. L accord EUR-OPA Risques Majeurs du Conseil de l Europe souligne la nécessité de disposer de systèmes de prévention et d alerte rapide dans le contexte des risques naturels et industriels majeurs. L accord EUR-OPA Risques Majeurs vise à renforcer et à promouvoir la coopération entre les Etats membres afin d améliorer la prévention, la protection et l organisation des secours en cas de catastrophes naturelles ou technologiques majeures. L accord «EUR-OPA» est une plateforme de coopération entre l Europe orientale, le sud de la Méditerranée et l Europe occidentale dans le domaine des catastrophes naturelles et technologiques majeures. Dans le contexte du récent tsunami en Asie, l Accord EUR-OPA a mis à la disposition des Nations Unies ses scientifiques et experts en formation de son réseau de centres euro-méditerranéens spécialisés qui regroupe 25 institutions.» En 1990, le lancement de la Décennie Internationale de la Prévention des Catastrophes Naturelles (DIPCN) sous l égide des Nations Unies, a eu comme objectif de «faire en sorte que toutes les sociétés soient capables de résister aux catastrophes naturelles et aux catastrophes industrielles et environnementales connexes, de façon à réduire les pertes environnementales, humaines et sociales liées à ces catastrophes» 3. Durant cette décennie, de nombreux programmes de recherches ont été mis en place dans le monde, conduisant notamment à une sensibilisation sans précédent des autorités locales aux problèmes des risques naturels. Cette prise de conscience s est donc rapidement élargie aux différents acteurs de la gestion des risques naturels. Les responsables se sont rendu compte de l importance de disposer des informations nécessaires (comme la connaissance des phénomènes, leurs manifestations, leurs comportements, et les éléments exposés), à la fois pour mieux se préparer face aux catastrophes, mais aussi pour mieux assister les populations concernées. Les systèmes d information se présentent donc comme un moyen efficace pour organiser ce type d information (figure 1.1). On note par exemple le besoin d avoir des systèmes pour connaître, évaluer, et réduire la vulnérabilité 4 des enjeux 5 (comme la population, les bâtiments, les entreprises) face à un danger, des systèmes pour l organisation des secours, des opérations de réhabilitations, et pour l évaluation des pertes. Cependant, l utilisation des systèmes d information dans la gestion des risques a souvent été accompagnée par l apparition de nouvelles problématiques. Pour répondre aux coûts souvent prohibitifs de l information, la réutilisation des données existantes est souvent présentée comme le seul moyen pour remédier aux besoins de la 3 Extrait du programme officiel de la DIPCN. http :// 4 La vulnérabilité au sens plus large, exprime le niveau de conséquences prévisibles d un phénomènes naturel sur les enjeux. 5 Les enjeux ou les éléments exposés, représentent les personnes, les biens, les activités, les moyens, le patrimoine, etc. susceptibles d être affectés par un phénomène naturel

13 1.3 Problématique "! Fig. 1.1 La relation entre les décideurs, le territoire, et le système d information pour l aide à la décision, d après Laurini 2001 [81] gestion. Cette réutilisation pose souvent des obstacles, qu il est intéressant de traiter, comme l hétérogénéité des données, la diversité des terminologies utilisées dans les ressources, etc. Ce travail de thèse s inscrit dans le cadre d une convention CIFRE 6 entre le laboratoire LIRIS et l entreprise GIPEA 7 basée à Caluire (Lyon). L activité de cette dernière porte principalement sur le développement de systèmes d information dédiés entre autres, à la prévention des risques naturels, à la gestion des situations de crises, et à la gestion des connaissances environnementales. 1.3 Problématique L introduction des systèmes d information dans le domaine des risques étant assez récente, de nombreux aspects restent encore à explorer. L utilisation des résultats de recherches dans la prévision 8, et la perception des risques dans les systèmes d information est toujours une question d actualité. Cependant, la simulation par l informatique de ces concepts reste souvent peu appropriée, et les techniques de visualisation utilisées sont aussi peu adaptées aux besoins de gestion des risques. En général, le développement d un système d information pour la gestion des risques naturels à l échelle d un territoire donné (la commune, la région, ou autres), se résume à répondre aux préoccupations suivantes : connaître les risques qui menacent un territoire donné et les modéliser en fonction d autres informations géographiques ou non. connaître les enjeux ou les éléments exposés qui existent sur le territoire, ainsi que les caractéristiques du territoire : comme la géologie, et les informations altimétriques. et finalement appréhender l interaction entre les risques et les éléments exposés, ceci revient à évaluer par exemple la vulnérabilité dans certains cas, ou à organiser les secours et à évaluer les pertes dans d autres. 6 Convention Industrielle de Formation pour la Recherche. 7 http :// 8 La prévision est l estimation de la date de survenance et des caractéristiques (intensité, localisation) d un phénomène naturel

14 1.3 Problématique La dimension spatiale étant au cœur de l activité de gestion des risques, cette dernière fait souvent appel à l information dite géographique. La localisation des personnes et des activités, l extension géographique des phénomènes et de leurs manifestations, la détermination des plans d urgence, etc ; tous ces éléments impliquent une dimension spatiale nécessaire à leur intégration et à leur gestion dans les systèmes d information. La prise en compte de cette composante est donc nécessaire dans tout système traitant de la gestion des risques naturels 9. La diversité des acteurs présents dans la procédure de gestion des risques ne pose pas un problème uniquement au niveau de la visualisation des résultats, mais aussi au niveau de la diversité des concepts et des termes utilisés. Cette confusion entre les concepts utilisés par différents groupes d utilisateurs présente un premier niveau d hétérogénéité, et la construction d un vocabulaire unifié peut s avérer importante. Un autre problème tout aussi important dans la gestion des risques est celui de la diversité des sources, principalement celles décrivant les éléments exposés. Une première tentative pour obtenir l intégration des données sur les éléments exposés (généralement géographiques) est assurée par la traduction directe d un format de fichier vecteur ou standard vers un autre. Cependant, ces traductions de formats peuvent mener à une perte d information. Les alternatives qui évitent ce problème sont généralement très complexes, comme les standards d échange de données «Spatial Data Transfert Standard» (SDTS) et «Spatial Archive and Interchange Format» (SAIF). Une discussion sur les formats d échanges de l information géographique peut être trouvée dans [66]. Une des stratégies importantes pour l intégration est la conversion des différents formats de données dans une structure de données commune. Une telle structure de données basée sur les standards SIG existants a été proposée dernièrement par le Consortium OpenGIS. Parmi les nombreuses stratégies d intégration de données, deux s avèrent importantes : l intégration fondée sur les médiateurs 10 [27] et l intégration fondée sur la matérialisation (entrepôts de données) [78]. Dans la gestion des risques naturels, plusieurs facteurs interviennent dans le choix de l approche d intégration appropriée : la disponibilité des sources, le temps d exécution, la capacité de stockage, etc. Cependant, l activité de la gestion des risques, notamment en période de crises, nécessite une réponse rapide du système aux interrogations que se posent les gestionnaires, et l absence de toute source peut conduire à des effets indésirables. Dans ces circonstances, l approche fondée sur la médiation n est pas une solution convenable pour répondre aux besoins de gestion, étant donné que le temps de réponse peut être relativement long, et les sources d information peuvent être indisponibles au moment du traitement de la requête. I II III Acquisition des données Stockage Intégration Accès Traitements Visualisations Système d information Fig. 1.2 Les étapes de construction d un système d information pour les risques naturels 9 Le traitement de la composante spatiale se situe au niveau de la modélisation et de la représentation, de l indexation, des calculs géométriques (souvent nécessaires pour déterminer par exemple la vitesse d une avalanche, ou l extension d une inondation), et l interrogation. 10 Qui permet une intégration de l information à la demande [130]

15 1.4 Contributions La figure 1.2 résume les différentes étapes nécessaires à la construction d un système d information pour la gestion de risques naturels : 1. L acquisition des données : les données sont de natures très variées, elles regroupent des données spatiales et non spatiales, des documents historiques, des documents multimédia, et des données en temps réel nécessaires pour la surveillance des phénomènes. 2. Le stockage et l intégration de ces données dans le système : la diversité des formats et des structures de données reste un problème important qu il faut considérer durant la phase d intégration. Ce problème est particulièrement traité dans cette thèse dans le chapitre Et finalement, l accès et le traitement de ces données : l accès aux données et leur visualisation nécessitent une prise en compte des différents acteurs qui sont concernés par la procédure de gestion des risques naturels. Nous présentons des pistes pour cette problématique dans le chapitre 4, où seront décrites les applications au développement desquelles j ai participé au sein de l entreprise GIPEA. 1.4 Contributions Notre réflexion dans le cadre de cette thèse concerne : le développement de quelque systèmes explorant des aspects nouveaux comme la modélisation des risques, la modélisation de la vulnérabilité, la structuration des données sur le territoire, et l organisation des données et informations relatives aux sous sols. la proposition d une ontologie du domaine des risques naturels, nécessaire pour la structuration des termes relatifs à leur gestion. la proposition d une méthodologie basée sur le standard OpenGIS pour l intégration des données sur les éléments exposés. L approche propose un certain nombre d étapes utiles pour la préparation des données sur les éléments exposés en vue de leur intégration dans un système d information. la proposition d une architecture intégrée d un système d information, utilisant les deux éléments précédents. Nous présentons dans une première partie quelques nouveaux exemples de systèmes opérationnels, développés au sein de la société GIPEA dans le cadre de la convention CIFRE dont j ai bénéficié. Ces systèmes ont été développés dans le but : de transformer les données stockées ou informations et connaissances utiles pour la procédure de gestion des risques naturels (figure 1.3). de supporter certains aspects de la gestion des risques, comme l évacuation des personnes en danger dans le cas des avalanches (le système EMMA), d organiser les informations et les documents relatifs à la gestion des risques (le système SysPPR), de structurer et d organiser les informations du sous-sol, ensuite leurs traitements et leurs interrogations (le système GéoInfo). Deux problèmes retiennent notre attention en analysant ces systèmes : la gestion du corpus documentaire largement disponible chez les gestionnaires des risques, et le problème d intégration de données. Dans le premier cas, une ontologie a été proposée pour résoudre la confusion sémantique entre les différents concepts utilisés par les experts du domaine. Nous avons montré l intérêt d utiliser une ontologie spécifiée dans un langage formel. Ce dernier étant capable de fournir une plate-forme efficace pour organiser les concepts du domaine, annoter les documents, et capitaliser les connaissances acquises. L utilisation des ontologies dans les systèmes d information est discutée dans [54] et spécialement dans la construction des SIG [35] [82], et la création des composants SIG à partir des ontologies [45]

16 1.5 Organisation du mémoire Ajouter de la valeur aux données - contextualiser - catégoriser, - calculer, - corriger, - condenser. Ajouter de la valeur aux informations - Comparaison, - conséquence, - connections, - conversations, Données Informations Connaissances Discrètes, des faits objectifs sur un événement Un message ayant pour but de changer la perception du receveur Expériences, valeurs, contextes appliqué à un message Quantitative - coût, - vitesse, - capacité Qualitative - pertinence, - clarté, - opportunité Quantitative - connectivité, - transactions, Qualitative - utilité, - plus d informations, Quantitative - contextuel, - évaluative, Qualitative - intuitive, - informative, Fig. 1.3 La progression entre le triplet données-informations-connaissances, d après Sena et Shani 1999 [108] Le modèle OpenGIS a été adopté comme modèle commun pour résoudre le problème d hétérogénéité entre les données. Une méthode d intégration, s appuyant sur l usage d un ensemble de règles, a été proposée pour assister les administrateurs dans leur travail d intégration des données. Elle tient compte de la spécificité des données impliquées dans la gestion des risques naturels. OpenGIS a été choisi comme modèle d intégration grâce à son ouverture. De plus, il a été reconnu par la plupart des industriels, éditeurs de logiciels, et organisations comme un standard de données largement utilisé. Nous proposons, enfin, l architecture d un système global d aide à la décision pour la gestion des risques. Deux aspects sont discutés dans le système : fonctionnel et logiciel. 1.5 Organisation du mémoire Ce manuscrit est organisé comme suit : Le chapitre 2 est consacré à un état de l art sur les systèmes d information géographiques, et leur utilisation dans la gestion des risques naturels. Nous discutons du problème de l hétérogénéité des données dans la gestion des risques. Ensuite, des exemples de la littérature sur l utilisation des systèmes d information dans les risques naturels sont présentés. Le chapitre 3 présente quelques exemples de systèmes (EMMA, SysPPR, et GéoINFO) opérationnels pour la gestion des risques naturels. Ces systèmes ont été développé dans le cadre de la convention CIFRE au sein de l entreprise GIPEA. Le développement de ces systèmes a soulevé l importance de résoudre un certain nombre de problèmes récurrents : la confusion sémantique émanant des termes utilisés par les acteurs impliqués dans la gestion de risques naturels, l hétérogénéité des données, et la multiplicité des sources décrivant les éléments du territoire. Le chapitre 4 tente d apporter un début de solution à ces problèmes en proposant une architecture d un système d information intégré pour la gestion des risques naturels. Le problème d intégration des données a été

17 1.5 Organisation du mémoire abordé en proposant une méthodologie d intégration basée sur le modèle OpenGIS. Une ontologie pour les risques naturels y est également présentée. Le chapitre 5 conclue et présente les problématiques qui restent à explorer pour la conception de systèmes d information pour la gestion des risques. L annexe 1 contient un exemple de description d ontologie en s appuyant sur la syntaxe du langage OWL. Dans la suite de cette thèse, nous définissons le terme «gestion des risques naturels» comme étant l ensemble des dispositions visant à réduire les impacts d un phénomène naturel : la connaissance des aléas 11, la réglementation de l occupation des sols, les mesures actives et passives de protection, l information préventive, les prévisions, les alertes, les plans de secours, etc. 11 Un aléa est un phénomène naturel d occurrence et d intensité données

18 Chapitre 2 État de l art sur les systèmes d information géographiques et les risques naturels Sommaire 2.1 Introduction L approche PPRR Les Systèmes d Information et les risques naturels L intégration des données dans les systèmes d information L application des SIG dans la gestion des risques naturels L incertitude et les risques naturels Les SIG et l évaluation de la vulnérabilité Les initiatives à l échelle nationale Conclusion Introduction Les systèmes d information géographiques (SIG) 1 ont apporté une contribution particulière dans l évolution des recherches sur les risques naturels. Coppock [29] a montré que les SIG ont un rôle important à jouer, parce que les risques naturels sont des phénomènes multidimensionnels, présentant un composante spatiale, et dont la gestion relève de plusieurs disciplines (urbanisme, géologie, etc). La plupart des développements qui ont intégré les SIG dans les risques naturels ont eu lieu cette dernière décennie. Les SIG y ont joué un rôle précurseur, mais relativement primitif, conduisant rarement à un produit commercial, car souvent utilisés à à des fins expérimentales dans la recherche. Cette section revoit l utilisation des SIG dans dans le domaine de la gestion de risques naturels, en mettant l accent sur les quatre phases de cette gestion : La prévention, La préparation, la réponse, et le rétablissement. 1 Voir Section 2.3 pour une discussion sur les SIG

19 2.2 L approche PPRR Dans sa revue de literature sur les risques naturels et les SIG, Coppock [29] note que toute tentative de revoir les contributions des SIG se heurte à de nombreux problèmes : puisque la gestion des risques est de nature pluridisciplinaire, les SIG sont rarement mentionnés dans le titre des recherches publiées. Les publications ont souvent la forme de documents officiels et de rapports, difficilement accessibles, et rarement cataloguées. Les références aux SIG et à la recherche sur les risques naturels apparaissent dans des publications industrielles (sans comité de lecture) tels que «GIS World», «GeoINFO Systems», et «GIS User». Ces publications sont principalement des outils de marketing plutôt que des forums scientifiques pour discuter des avancées dans le domaine. Les articles qu on y trouve sont brefs, et souvent sans références. La gestion des risques naturels a été souvent considéré pendant longtemps comme une application secondaire dans les publications[49]. Ce n est que récemment, que les spécialistes des SIG ont commencé à s intéresser à des disciplines spécifiques (pour les risques naturels voir [21]), lui conférant ainsi un rôle de premier plan. La plupart des exemples de SIG sur les risques naturels ont mis l accent sur les spécifications techniques, les thèmes de données spatiales, les techniques d acquisition de données, la modélisation des risques, et leurs distributions spatiales, la présentation cartographique des résultats, et d autres considérations spatiales (voir entre autres [85], [39], [91]). La literature qui s adresse aux dimensions institutionnelles, politiques, managérielles et sociales, est relativement rare. Cette section inclue des études de cas, qui ne sont pas strictement reliées aux risques naturels, comme celles reliées aux risques technologiques (nucléaires par exemple) Plan du chapitre Ce chapitre présente à la fois des expériences sur l utilisation des systèmes d information dans le domaine des risques naturels, et expose les problèmes de conception de tels systèmes notamment ceux liés à l hétérogénéité des données et des ressources. La section 2.2 commence par présenter le modèle traditionnel de gestion de risques constitué généralement des étapes de la Prévention, de la Préparation, de la Réponse, et de la Réhabilitation (noté PPRR). La section 2.3 propose une discussion sur le terme SIG. Elle présente l évolution du SIG, ses différentes phases, et examine comment il a été intégré dans la recherche sur les risques naturels. Un aperçu sur les contraintes liées au développement de système d information pour la gestion des risques naturels est également présenté dans cette partie. Parmi ces contraintes, il y a l hétérogénéité des données. La section 2.4 présente certains aspects de cette hétérogénéité, et décrit ensuite quelques approches d intégration des données hétérogènes, en évoquant aussi le cas des données géographiques. La section 2.5 présente un ensemble d expériences relatives aux risques naturels. Elle montre des exemples d utilisation de systèmes d information dans les risques naturels. La section 2.6 présente des exemples qui traitent du problème d incertitude dans les risques naturels et les SIG. Des applications relevant de l évaluation de la vulnérabilité sont discutées dans la section 2.7, en se limitant uniquement à la vulnérabilité du bâti. Les projets de gestion des risques naturels qui utilisent les techniques SIG à une échelle nationale sont relativement rares. La section 2.8 examine certaines de ces initiatives nationales. 2.2 L approche PPRR Le modèle commun de traitement de risque est l approche (PPRR)[113]. Il est constitué des quatre phases suivantes : la prévention, la préparation, la réponse, et la réhabilitation (voir figures 2.1 et 2.2). Ces phases sont aussi reliées entre elles, et chacune implique différent types de compétences

20 2.2 L approche PPRR Préparation Catastrophe Mitigation Réponse Réhabilitation Fig. 2.1 Les phases du cycle de gestion des risques naturels La mitigation Cette phase concerne les activités qui éliminent ou réduisent réellement la probabilité d un désastre (par exemple, construire des digues pour stopper les débordements de rivières, une législation qui exige le respect de certaines règles de construction dans les zones sismiques). Elle inclut aussi les activités à long terme qui sont destinées à réduire les effets des désastres inévitables (par exemple, la gestion de l occupation des sols, l établissement des programmes complets de gestion des secours tels que l élimination de la végétation dans des zones à fort risque d incendie, ou des restrictions sur les constructions dans les zones potentielles d inondations) La préparation Cette partie concerne les activités qui complètent ce que les mesures de mitigation n ont pas réussi à prévenir ou ne peuvent pas prévenir. Dans la phase de préparation, les élus, les organisations, et les individus développent des plans pour sauver des vies et minimiser les dommages (par exemple, l organisation des inventaires de la commune, la réalisation des exercices d entraînements, l installation des systèmes d alarmes, et la préparation à l avance des forces de secours). Les mesures de préparation cherchent aussi à améliorer les opérations de secours (par exemple, en stockant les fournitures alimentaires, et les médicaments) La réponse Cette phase concerne les activités post-catastrophe. Ces activités cherchent à fournir aux victimes des secours d urgence (par exemple, les recherches et les sauvetages, les lieux d hébergement, les soins médicaux, l alimentation). Elles cherchent aussi à stabiliser la situation et à réduire la probabilité des dommages secondaires (par exemple, coupure des conduites d eaux contaminées) et d accélérer les opérations de rétablissement (par exemple, l évaluation des dommages)

21 2.2 L approche PPRR La réhabilitation Il s agit des activités nécessaires au retour à la normale du système. Cette phase inclut deux catégories d activités : (1) des activités de rétablissement à court terme qui permettent de rétablir les fonctions vitales du système (par exemple, l assainissement, l hébergement provisoire, et l accès à l alimentation et à l eau) et (2) des activités de rétablissement à long terme qui peuvent durer plusieurs années après le désastre. L objectif de cette phase est d améliorer la vie des sinistrés après la catastrophe (par exemple, faciliter les prêts pour le développement, l assistance légal, et l aménagement du territoire). Fig. 2.2 Description des phases du cycle de gestion des risques naturels Données / Phases du PPRR Les activités de gestion des risques naturels reposent sur trois objectifs principaux : la protection de la vie, de la propriété, et de l environnement. La réalisation de toutes ces étapes dépend de l utilisation d un ensemble de sources de données dans un système d information approprié. Les données utiles doivent être collectées, organisées et affichées convenablement au sein d un système pour déterminer la taille et l importance des programmes de gestion des risques. La plupart des données qui contribuent à la gestion des risques naturels sont de nature spatiale et peuvent être localisées sur une carte. Cette section essaye d identifier la particularité des données nécessaires pour chacune des phases du PPRR

22 2.2 L approche PPRR La mitigation Une fois les situations de risques potentiels identifiées, les besoins de mitigation doivent être déterminés. Dans le cas d un tremblement de terre par exemple, les données à utiliser doivent répondre aux préoccupations suivantes : quels sont les développements qui sont dans la zone d impact principale des failles? en se basant sur les magnitudes d un tremblement de terre, les caractéristiques du sol, et autres données géologiques, quels sont les dommages qui peuvent être provoqués? quelles sont les installations qui nécessitent une délocalisation ou une construction renforcée? quelles sont les installations qui sont dans des zones à fort potentiel de risque (ponts clés, routes principales, hôpitaux, les zones de stockage de matériaux dangereux, etc.)? Les efforts de mitigation peuvent inclure des législations qui limiteraient la construction dans des zones d inondations ou de tremblements de terre. L utilisation de sources de données appropriées permet de répondre aux questions suivantes : où se trouvent les zones de risques d incendies? quelles sont les combinaisons des caractéristiques (par exemple, la topographie, la végétation, le climat) qui contribuent au déclenchement du risque d incendie? Dans cette étape, l utilisation des données appropriées permet d identifier des catégories de pentes critiques qui favorisent les incendies d espèces de végétation inflammables proches des habitations. Il est également possible d identifier le parcours probable des inondations en se basant sur les caractéristiques topographiques, ou la propagation des matières dangereuses en se basant sur les courants et les vents La préparation La préparation inclut les activités qui préparent les secours effectifs. Les données utiles à cette étape doivent répondre aux questions telles que : où doivent être localisées les stations de feux si un temps de 5 minutes pour la réponse est prévu? combien d unités paramédicales sont nécessaires? quelles sont les routes d évacuations qui doivent être sélectionnées si un nuage toxique est accidentellement libéré à partir d une usine, en se basant sur différent modèles de vents? comment la population doit être informée? est-ce que les réseaux routiers pourront supporter le trafic? quelles sont les installations qui devront servir de lieux de refuge? quels sont les volumes de fournitures nécessaires, la surface, etc. qui doivent être nécessaires pour chaque abri en se basant sur le nombre de personnes évacuées? Dans l étape de la préparation, les données peuvent être affichées en temps réel pour la supervision des systèmes d alarmes. Les stations climatiques lointaines peuvent fournir des indices récents du climat en se basant sur les zones environnantes. La direction du vent, la température, et l humidité relative peuvent être affichées. L information sur le vent est vitale dans la prédiction du mouvement des nuages chimiques ou pour anticiper la direction du mouvement des incendies. Les mouvements de la terre (tremblement de terre par exemple), le niveau des réservoirs dans les barrages, le monitoring des radiations, etc, toutes ces informations peuvent être observées et visualisées dans un système approprié. Il est même intéressant de délivrer ce type d information avec des couches géographiques sur internet

23 2.3 Les Systèmes d Information et les risques naturels La réponse Les unités de secours peuvent être sélectionnées et activées pour des réponses urgentes. Les unités les plus proches (les plus rapides) peuvent être sélectionnées, activées, et dispatchées. Selon la nature du secours, le système peut donner des informations détaillées avant que les unités n arrivent. Pour la fuite des produits toxiques, la direction et la vitesse du vent peuvent être modélisées pour déterminer les zones d évacuations. L utilisation des GPS 2 peut faciliter (en temps réel) la localisation des unités de secours La réhabilitation Les efforts de réhabilitation commencent quand les secours se terminent. Ces efforts concernent la restauration des services vitaux. 2.3 Les Systèmes d Information et les risques naturels Les Systèmes d Information Géographiques Les difficultés associées à la définition du terme SIG sont discutées dans [86]. La plus restrictive des définitions spécifie qu un SIG doit avoir une structure de données spatiale avec une topologie et des couches géographiques reliées avec un système de gestion des bases de données relationnelles. Cette définition devrait s appliquer uniquement aux systèmes commerciaux de haut niveaux comme MGE, ARC/INFO et Genasys. Elle exclut d autres systèmes commerciaux populaires comme MapInfo, Latitude, ArcView, et la plupart des logiciels basés-raster comme MPA, EPPL7 et Idrisi. La conception d un Système d Information Géographique est un processus complexe, qui demande une réflexion poussée et la résolution de nombreux problèmes : de l étude préliminaire au mode de stockage des données, une suite d étapes peut être identifiée, de la plus abstraite à la plus technique (figure 2.3). Le choix des données à acquérir est très important, ainsi que la manière de les représenter : le monde réel est très complexe et la mesure des phénomènes présente des difficultés variables selon leur nature et l échelle de perception. Le contenu d une base de données à référence spatiale offre une vue partielle du monde (représentation particulière), et l utilisateur du SIG voit le monde à travers la base de données. Il est donc important que les informations contenues dans la base de données représentent le monde de manière aussi exhaustive et cohérente que possible, au regard des objectifs visés. La réflexion sur la modélisation des données spatiales proprement dites est l une des étapes incontournables de la constitution d un système d information (même si elle est parfois dictée par les choix techniques imposés, comme les logiciels ou SGBD particuliers) ; la modélisation spatiale définit de quelle manière seront stockées et structurées les primitives géométriques que l on souhaite manipuler dans le système. Les SIG se distinguent des autres systèmes d information par plusieurs aspects, au niveau des données comme au niveau du système lui même. Du point de vue des données, on peut ainsi relever les points suivants : une quantité importante de données (jusqu à des Terra-octets dans le cas de gros systèmes contenant des données raster), qui nécessite des systèmes de gestion robustes, la coexistence de nombreux formats ou modèles géographiques (dans des systèmes distincts, mais la cohabitation de modèles différents intervient de plus en plus au sein d un même système, notamment dans le cas de fédération de bases de données), la complexité des structures de données géographiques (par opposition aux types de données classiques des SGBD), 2 Global Position System

24 2.3 Les Systèmes d Information et les risques naturels Couches d applications Sous système pour l analyse spatiale Sous système pour l acquisition des données géographiques Sous système pour la gestion des bases de données géographiques Sous système pour la présentation cartographique Mise à jour Partage Base de données géographique Fig. 2.3 La structure d un système d information géographique, d après Laurini 2001 [81] la tendance de plus en plus importante à la réutilisabilité (échange de fichiers, interopérabilité), les interactions entre les entités géographiques (relations spatiales, que de simples jointures ne peuvent représenter). La complexité du monde réel oblige à le simplifier pour pouvoir le manipuler dans un processus d abstraction (figure 2.4). Une information géographique est une entité (naturelle ou artificielle, comme les infrastructures) distribuée sur le territoire ; elle est définie par : une description géométrique (point, ligne, surface, grille, etc.) une description attributaire (qualitative ou quantitative) un ensemble de relations, spatiales ou non (appartenance, inclusion, voisinage, jointure...). L attribut de localisation des données géographiques peut être exprimé de manière directe (par des coordonnées) ou par des références indirectes (adresse postale, abscisses curvilignes le long d un cheminement) Les contraintes liées au développement de système d information pour la gestion des risques naturels Développer un système d information sur les risques naturels nécessite la prise en compte de nombreux paramètres comme les données, les acteurs, leurs besoins, ainsi que les éventuels systèmes préexistants (figure 2.5). Recenser l ensemble des éléments déterminants pour le système et identifier clairement le rôle joué par chacun d entre eux est un pré-requis. Ensuite, il faut considérer la multiplicité et l hétérogénéité des données et des acteurs, qui constituent une des principales difficultés dans le développement d un tel système. La masse d informations à prendre en compte dans les risques naturels est considérable. Elle tient d une part à la diversité des données telles que les cartes (eg. cartes d aléas, cartes CLPA 3, POS, PLU, etc.), les règlements 3 Carte de Localisation Probable d Avalanches

25 2.3 Les Systèmes d Information et les risques naturels Le monde réel Entité Table Parcelle Parcelle# Adresse Block $ Valeur N Hi N Hi W. Main W. 1st Clé Attribut Représentation Vecteur Représentation Raster R T 1 R T 2 H R 3 R 4 R R 5 R 6 R T T H 7 R T T 8 R 9 R (a) La représentation tabulaire d une parcelle (b) La représentation Vecteur/Raster du monde réel Fig. 2.4 Différentes représentations des données spatiales (eg. les plans de prévention des risques), les données sur des événements, les fonds documentaires, etc. Et d autre part, à la nécessité de conserver l historique des données, nécessaire pour comprendre les phénomènes actuels. Ces considérations contribuent à accroître le volume de données. Le processus de prise de décision est influencé par la connaissance de tout un contexte historique auquel il est nécessaire d accéder. Les aspects liés à la provenance des données illustrent également la difficulté de la tâche de la conception. Toutes les données ne sont pas issues d un seul et même service. Un inventaire exhaustif doit être établi et nécessite l implication de nombreux organismes détenteurs d informations. Apparaissent alors les problèmes de format, d actualisation, de diffusion, de confidentialité, et de propriété de ces données. L hétérogénéité des structures de données complique davantage la conception d un système d information. Il existe des données fortement structurées dans des bases de données existantes (BD Carto de l IGN), mais également de nombreuses autres informations non structurées (photos, témoignages d habitants, croquis, etc). Par ailleurs, d autres données sont stockées depuis des années, sous une forme difficilement exploitable en l état. Un retraitement de ces données s avère alors nécessaire pour une meilleure exploitation du contenu. La section suivante présente les aspects de cette hétérogénéité, et quelques approches utilisées pour les résoudre L hétérogénéité des données impliquées dans la gestion des risques naturels Le problème de l hétérogénéité des ressources représente donc un obstacle majeur pour la conception d un système d information pour les risques naturels. Avec l emergence de nouvelles technologies d acquisition et de stockage des données, certaines de ces données ont été numérisées et stockées dans des systèmes d information géographiques. Cependant, leur réutilisation dans des nouvelles applications reste très souvent une tâche difficile, à cause

26 2.3 Les Systèmes d Information et les risques naturels Un système d information pour la gestion des risques naturels Contraintes de developpement Diversité des acteurs Hétérogénéité des données Systèmes d information existants - maires, - citoyens, - urbanistes, - géologues, - scientifiques, - etc. - diversités des données - diversités des formats, - sémantiques différentes, - données structurées, semistrcturées, et non structurées, - des archives des phénomènes naturels, - des cartes à numériser - des données vecteur et raster - diversité des systèmes opérationnels qui gère les données sur le territoire. - faire communiquer les systèmes existants, - extraire les données et les réutiliser, Photos Croquis BD historiques Pages web Fig. 2.5 naturels Quelques contraintes reliées au développement de système d information sur la gestion des risques d une sémantique peu claire des données, de la faible documentation, de la diversité des ensembles de données (quelle information est stockée, comment est-elle représentée et structurée, quelle est sa qualité, à quelle date elle se réfère, quelle échelle est utilisée... ), de l hétérogénéité des systèmes existants en terme de concepts utilisés dans la modélisation des données, des techniques d encodage des données, des structures de stockage, des fonctionalités d accès, etc [35]. Dans [12], Bishr décompose l hétérogénéité qui existe entre les bases de données en quatre niveaux : l hétérogénéité des systèmes, l hétérogénéité syntaxique, l hétérogénéité structurelle et l hétérogénéité sémantique Hétérogénéité des systèmes Puisque les bases de données résident souvent dans des systèmes différents, les premiers efforts réalisés pour établir l interopérabilité entre les bases de données fut d établir l interconnexion des systèmes. Les travaux qui ont mené aux réseaux de communication entre les systèmes et aux protocoles de communication (ex. Ethernet, TCP/IP, RPC, FTP, HTTP, etc.), permettent aujourd hui de connecter des systèmes fonctionnant à partir de systèmes d exploitation différents (ex. Windows, Unix, VMS, OS/400, Mac OS, Linux, etc.). Les protocoles de communication définissent l ensemble des règles qui permettent aux différents systèmes de communiquer entre eux et de partager tant des fichiers de données que des ressources

27 2.3 Les Systèmes d Information et les risques naturels De plus, l interconnexion entre des systèmes de gestion de bases de données (SGBD) permet maintenant de partager non seulement des fichiers de données entre les systèmes mais aussi des données entre les bases de données. Plusieurs applications accèdent maintenant à des données emmagasinées dans divers SGBD sur des systèmes différents. Ces applications utilisent le langage SQL (Structured Query Language) et des outils comme l ODBC (Open Database Connectivity) ou le JDBC (Java Database Connectivity) pour se connecter et communiquer avec les SGBD. Avec l émergence de solutions sur l interconnexion des systèmes hétérogènes durant les années 1990, les efforts consentis pour réaliser l interopérabilité, sont, depuis, portés sur les problèmes d hétérogénéité des données Hétérogénéité syntaxique L étude de l hétérogénéité syntaxique concerne spécifiquement la représentation physique des données [98]. Dans les données géographiques, nous observons l hétérogénéité syntaxique lorsque des systèmes en interaction n ont aucun format commun d échange de données géographiques (ArcExport, MID/MIF, DXF, Shape, etc.) (figure 2.6(a) et 2.6(b)). (a) Sans un standard d échange commun (b) Avec un standard d échange commun Fig. 2.6 Interopérabilité en SIG L approche de l OGC 4 et de l ISO/TC 211 pour remédier à l hétérogénéité syntaxique entre les SIG est de normaliser une syntaxe pour permettre la communication des données géographiques [88]. Ces organisations travaillent activement à la définition du langage GML (Geography Markup Language) [97]. L hétérogénéité syntaxique se remarque aussi dans les différentes formes utilisées pour représenter l information géographique [12]. Fondamentalement, on retrouve deux formes de représentation de l information géographique : la forme matricielle et la forme vectorielle. La forme matricielle consiste en une mosaïque régulière de cellules (appelées aussi pixels) auxquelles différentes valeurs sont attribuées pour représenter un thème (ex. l essence des arbres du couvert forestier, le relief, les précipitations, etc.). La forme vectorielle utilise des représentations géométriques comme le point, la ligne, la surface et le volume pour la description géométrique des données Hétérogénéité structurelle L hétérogénéité structurelle se préoccupe des différences dans la modélisation des données. Par exemple, le concept rue peut être modélisé comme une valeur de l attribut classification de la classe d objets route. Il peut aussi 4 OpenGIS Consortium

28 2.4 L intégration des données dans les systèmes d information Classification: Inconnu, Autoroute, Principale, Secondaire, Rue,... Route Classification Route.... Rue Route Principale Route Secondaire Fig. 2.7 Différentes structures du concept rue être représenté comme une sous-classe de la classe d objets route (Figure 2.7). Bishr [12], Sheth et Kashyap [109] classifient la nature des conflits propres à l hétérogénéité structurelle de manière similaire Hétérogénéité sémantique L hétérogénéité sémantique correspond à la différence de signification entre les concepts. La signification d un concept s établit par le lien fait entre le signifiant et le référent [12]. La différence entre les modèles cognitifs de deux individus qui, par exemple, associent des signaux identiques à des phénomènes différents et des signaux différents aux mêmes phénomènes, illustre bien l hétérogénéité sémantique. Puisque les modèles cognitifs se développent par l observation de phénomènes dans un contexte particulier, le contexte joue donc un rôle important dans l hétérogénéité sémantique des concepts. Il devient nécessaire de considérer le contexte dans lequel les phénomènes sont observés pour résoudre l hétérogénéité sémantique entre les concepts. Les ontologies sont reconnues pour maintenir la signification accordée aux concepts d une base de données. Dans les bases de données géographiques, les ontologies décrivent un ensemble de concepts avec leurs définitions, leurs propriétés, leurs géométries et leurs temporalités selon le contexte d abstraction. L évaluation de la similitude sémantique entre deux concepts de deux ontologies vise à résoudre l hétérogénéité sémantique entre les concepts. Bishr [12] affirme que l hétérogénéité sémantique est la principale barrière au partage de données géographiques. Le tableau 2.1 résume quelques conflits sur les données géographiques sous quatre volets : concept, propriété, géométrie et temporalité. 2.4 L intégration des données dans les systèmes d information Actuellement, le développement de nouveaux systèmes d information repose désormais sur la capacité du système d information à réaliser l intégration des bases de données existantes. De nombreuses méthodes existent qui permettent à différentes sources hétérogènes de communiquer [1] [6] [82], comme les bases de données fédérées et l intégration de schémas [80], les approches orienté-objet [25], les entrepôts de données [125], et les médiateurs et les ontologies [130] [54] [45] [118]. Parmi les nombreuses stratégies d intégration de données, deux principales stratégies peuvent s avérer intéressantes : les systèmes fondés sur les médiateurs[27] et les systèmes de types entrepôts de données [78]

29 2.4 L intégration des données dans les systèmes d information Niveau Conflits Exemple Concept Nomenclature : synonyme, homonyme rue vs artère Granularité des concepts route vs rue Correspondance 1..M et M..N entre concepts obstacle à la navigation aérienne vs pont, tour, cheminée Correspondance concept vs propriété verger vs végétation :verger Propriété Nombre 5 propriétés vs 2 propriétés Nomenclature : synonyme, homonyme Correspondance 1..M et M..N entre propriétés classification de la route vs accessibilité de la route, nombre de voies Domaine de valeurs (correspondance, granularité) A, B, C, D, E vs Nomenclature des valeurs d attributs route au sol vs route surbaissée Unité de mesure pied vs mètre Types de données date vs caractère Valeur par défaut 0 vs Géométrie Primitive géométrique ligne versus surface Résolution spatiale 1m versus 100m Surface de référence NAD 27 versus NAD 83 Système de coordonnées géographiques latitude :longitude versus UTM Temporalité Primitive temporelle instant versus période Résolution temporelle jour versus mois Tab. 2.1 Quelques exemples de conflits sur les données géographiques Les systèmes fondés sur les médiateurs sont construits à partir d un nombre important de sources et services relativement autonomes, communiquant avec un protocole standard, et permettant une intégration de l information à la demande [130]. Ils supposent que toutes les données sont stockées localement dans des sources. L architecture à trois niveaux des systèmes fondés sur la médiation est construite à partir d une couche application, et d un nombre important de sources d information (sources de données hétérogènes avec des wrappers). Un wrapper est un programme spécifique à chaque source de données [101] [105] [119], et qui extrait des informations à partir des fichiers sources, et réalise la traduction dans le format de données sources. Le point le plus important est que le système d intégration laisse les utilisateurs se concentrer sur leurs besoins plutôt que sur la manière d obtenir les réponses. Par conséquent, il évite à l utilisateur la combinaison des données des différentes sources, l interaction avec les différentes sources, et la recherche des sources intéressantes. Les inconvénients de cette approche sont les temps de réponses relativement long, et l information qui peut être incomplète puisque les sources d information peuvent être indisponibles au moment du traitement de la requête. Les entrepôts de données introduisent par contre une stratégie différente. Les données nécessaires sont déjà intégrées avant l interrogation et stockées dans une couche intermédiaire. La requête de l utilisateur n a pas besoin d être traduite et transmise aux sources pour être exécutée. Ceci peut avoir des conséquences positives sur le temps d exécution, si l information demandée est fréquemment sollicitée. L approche entrepôt de données [125] implique l accumulation des données spatiales dans quelques magasins de données connectés, où l intégration de l information est réalisée en amant. Cependant, l inconvénient majeur de l approche entrepôts de données réside dans le fait que les données sont physiquement copiées de leurs sources originales. Ce qui nécessite des capacités de stockage supplémentaires et des techniques de propagation de mises à jour appropriées. Dans la gestion des risques naturels, plusieurs facteurs interviennent dans le choix de l approche d intégration :

30 2.4 L intégration des données dans les systèmes d information la disponibilité des sources, le temps d exécution, la capacité de stockage, etc. L activité de la gestion des risques, notamment en période de gestion des crises, nécessite une réponse rapide du système aux questions que se posent les gestionnaires, et l absence de toute source dans cette période n est pas souhaitable. L approche par la médiation semble donc être une solution délicate pour répondre aux besoins de la gestion de risques, étant donné que le temps de réponse peut être relativement long, et les sources d information peuvent être indisponibles au moment du traitement de la requête Intégration de données géographiques La gestion du risque est une activité qui fait souvent appel à des données hétérogènes à forte composante spatiale (figure 2.8), d où le besoin de prendre en compte cet aspect dans la phase d intégration. Donnée spatiale Etat Comportement Position Dimension ( ) Géométrie ( ) Relations métriques Relations topologiques Autres relations Fig. 2.8 La description de l information spatiale En effet, les phénomènes du monde réel sont actuellement représentés dans des bases de données géographiques (BDG) sous différentes formes (suivant les modèles géographiques, suivant les points de vue utilisateur et/ou suivant les systèmes). La réutilisation de telles BDG nécessite dès lors un processus d intégration pour éliminer les parties redondantes et regrouper les parties complémentaires. Ce processus d intégration est nécessaire étant donné le coût d acquisition des données géographiques (de cette manière des saisies d information sont évitées) et permet de fédérer l information provenant de différentes sources. Généralement, chacune des sources géographiques possède sa propre représentations. Ces représentations peuvent être regroupées à l intérieur d un même SGBD géographique pour former une base de données multireprésentations. La BDG peut être : Centralisée, l opération qui consiste à regrouper les données sur un seul site est appelée migration, Répartie sur des sites distants reliés par un réseau. De plus, l intégration de sources géographiques peut être aussi employée : Pour assembler plusieurs sources géographiques ayant des emprises limitrophes Pour réutiliser des données dans un nouveau contexte Pour obtenir une base de données géographiques commune et qui soit optimale en terme de qualité et de non redondance Quatre niveaux d intégration des bases de données géographiques peuvent être identifiés [35] : Les BDG multi-couches obtenues par regroupement, L intégration des méta-données : les catalogues, L intégration de la sémantique des BDG,

31 2.5 L application des SIG dans la gestion des risques naturels L intégration complète des BDG (voir figure 2.9 pour un SIG multireprésentation obtenu à partir d un processus d intégration et d appariement). SIG Multi-représentations... Intégration Appariement Contrôle de Cohérence Fig. 2.9 SIG multi-représentation obtenu à partir d un processus d intégration et d appariement, d après Devogele 1997 [35] 2.5 L application des SIG dans la gestion des risques naturels L une des critiques données à l approche PPRR (Section 2.2 ) est que la frontière entre les différentes étapes n est pas toujours claire. En effet, les actions menées dans le cadre de la gestion des risques peuvent appartenir à une ou plusieurs des étapes PPRR (Table 2.2) 5. Ainsi, les systèmes présentés ci-après peuvent être largement regroupés dans une ou plusieurs catégories du modèle PPRR. Les expériences seront donc discutés dans des termes larges, plutôt que dans les termes PPRR ou par type de risque naturel. De cette manière, les exemples sont intégrés sans se soucier de leur finalité immédiate. La plupart des exemples d application des SIG dans le domaine des risques naturels se sont intéressés aux aspects physiques des risques naturels comme la cartographie des zones inondables ou la cartographie des zones sismiques en se basant sur les mesures d intensité des secousses, ou encore la prédiction des glissements de terrain à partir des caractéristiques géomorphologiques. Newkirk [94] a présenté les raisons historiques derrière cette tendance. Selon lui, plusieurs SIGs commerciaux ont évolué de leurs fonctionalités comme des outils de cartographie, et n ont intégré des outils de modélisation et de simulation que récemment La modélisation du risque Les exemples relatifs à ce domaine [22] [16] [121] intègrent généralement l intégralité de la phase de modélisation physique du phénomène dans le SIG. En effet, les variables critiques contribuant à la définition du phénomène peuvent être dérivées du modèle numérique du terrain (pente, aspect, altitude) et d autres données spatiales disponibles (sol, géologie, végétation) (figures 2.10(a) 2.10(b)). 5 Par exemple, les différences entre les activités de prévention et les activités de préparation sont difficiles à définir

32 2.5 L application des SIG dans la gestion des risques naturels Fonction Applications potentielles Exemples Aide à l analyse de la distribution de l infrastructure socio-économique par rapport aux risques naturels Affichage données des Le stockage et la recherche des informations La gestion du territoire La sélection des sites L évaluation de l impact du risque La modélisation du développement L utilisation des cartes thématiques pour améliorer les rapports et/ou les présentations Le lien avec d autres bases de données pour d autres informations spécifiques La maintenance et la mise à jour des données sur le territoire La maintenance et la mise à jour des cartes du territoire, comme les cartes de zonages et d inondations Déterminer et appliquer la régulation de l occupation du sol et les codes de constructions L identification des sites potentiels pour usage particulier Identification géographique des impacts des catastrophes Analyse de l adéquation de parcelles particulières au schéma du développement Quels éléments du réseau se trouvent dans la zone à risque? Quelle est la population qui peut être affectée? Où se trouve le centre de secours le plus proche? Afficher toutes les parcelles qui ont eu un problème d inondation dans le passé Lister les noms de tous les propriétaires de parcelles à l intérieur de la zone de 30 m à proximité d une rivière ou d une faille Quelles sont les parcelles qui se trouvent dans une zone à fort risque sismique? Où sont les parcelles qui ne sont touchées par aucun risque, ayant au moins x ha, se trouvant à une distance y de la route principale? Quelles sont les unités de la zone résidentielle qui vont être affectées par les inondations? En considérant la pente, le type du sol, le drainage, quelles sont les zones qui doivent avoir la priorité dans le développement? Tab. 2.2 Exemples d application des SIG dans la gestion des risques naturels à une échelle locale Certains modèles tels que les modèles de présomption des glissements de terrain simples ne nécessitent pas des possibilités de modélisation complexes, ce qui n est pas le cas de la modélisation des processus dynamiques comme les tempêtes, le vent, ou les tremblements de terre. Dans [22], un SIG a été utilisé pour modéliser la présomption des glissements de terrains. Les paramètres morphologiques, géologiques, et de végétations sont calculés à l intérieur du SIG, et les relations sont analysées dans un outil statistique externe. Cette étude s est limitée à la phase d identification physique du risque. Cependant, elle illustre l importance du SIG dans des applications qui utilisent les paramètres du terrain pour la modélisation, comme la longueur et la moyenne de la pente, la surface drainée et la pente des sous bassins versants. Ces paramètres sont dérivés des modèles numériques de terrains et des réseaux hydrologiques [34]. Pearson et al. [99] ont fournit un exemple détaillé de l évaluation du risque de glissement de terrain, en intégrant la modélisation du risque dans un SIG avec des systèmes experts et des modèles physiques. Leur approche intègre des modèles physiques de risques et des données socio-économiques avec un système expert afin d intégrer les facteurs de vulnérabilité humaine dans l évaluation des risques naturels. L application de Brabb [16] sur la cartographie du risque de glissements de terrains illustre l évolution d une

33 2.5 L application des SIG dans la gestion des risques naturels (a) Un modèle numérique d altitude représenté en courbes de niveaux (b) Un modèle numérique d altitude représenté en visualisation 3D Fig Le modèle numérique de terrain simple application cartographique vers une modélisation intégrée pour l identification du risque. Initialement, l étude a produit des cartes pour identifier les variables importantes, telles que les intensités historiques des secousses telluriques, la localisation des failles, les zones menacées par les inondations, et la géologie. La présentation de ces cartes aux urbanistes dans le conté de «San Mateo» en «Californie» a suscité chez ces derniers le besoin d avoir davantage de modélisations des risques, parce que les questions posées par les urbanistes ne peuvent pas être résolues par ces cartes individuelles. Le SIG a intégré des variables spatiallement distribuées pour modéliser les risques, comme la liquefaction 6. Les résultats ont été utilisés par les responsables locaux pour limiter la densité du développement urbain autorisé dans les zones menacées géologiquement dans le conté La surveillance des phénomènes Une application intéressante des SIG aux risques naturels a été la surveillance et la localisation des sites des déchets toxiques et des sites de contaminants polluants. Estes et al. [43] ont fournit une discussion détaillée sur le rôle potentiel des SIG dans la surveillance des déchets. Le système met l accent sur la composante aléa de la gestion des risques en surveillant les facteurs physiques tels que la proximité aux cours d eau, les propriétés du sol, les sources polluantes, les indicateurs botaniques, et le transport des contaminants. L approche discute aussi du rôle des indicateurs socio-économiques pour identifier les sites dont le niveau d acceptabilité du risque est dépassé. La vulnérabilité n était pas traitée dans le détail dans cette étude, puisque plusieurs facteurs sociaux ont été ignorés, comme la capacité de relogement de la communauté loin des sites dangereux. Von-Braun [126] note que le SIG est particulièrement utile pour intégrer les résultats spatio-temporels de la modélisation dans l évaluation du risque. Cavallin et al. [23] ont fournit l exemple d un SIG appliqué à l évaluation des risques de pollution des eaux souterraines. Hickeyet al. [61] ont présenté une étude intéressante dans laquelle 6 La liquéfaction est un phénomène qui se produit sous sollicitation sismique (éventuellement, en bord de mer sous l effet de la houle ou par suite d une activité anthropique)

34 2.5 L application des SIG dans la gestion des risques naturels ils ont utilisé un SIG, des images satellitaires (2.11), la modélisation de l érosion, et des méthodes de prises de décisions multi-critères afin de supporter les procédures de réclamations du foncier pour les mines abandonnées. Fig Exemple de deux images satellitaires prises en deux instants différents surveillants un volcan Avant 1993, les SIG étaient considérés comme une partie intégrante des initiatives du «Superfund» 7 [126], en incluant des mesures de la vulnérabilité humaine pour classer les propriétés en risque faible et élevé. Les initiatives «Superfund» ont aussi souligné l importance des approches multi-risques qui ont été négligées dans la plupart des recherches sur les risques naturels. Le rapport de «U.S. Interagency Floodplain Management Review Committe» [96] s est intéressé par exemple aux risques potentiels associés à la localisation des installations de stockage des déchets dangereux et industriels à l intérieur des plaines d inondations. Les exemples suivants, fournit dans [126], illustrent le rôle potentiel du SIG dans la réparation des risques liés aux sites de déchets. la communication du risque : Les SIG sont utilisés pour générer des cartes confidentielles et afficher les résultats des risques sur les propriétés pour une utilisation dans les réunions publiques. De la même manière que dans la délimitation des zones d inondation, la cartographie de la toxicité des eaux souterraines et des sols peut avoir des impacts sur les valeurs des propriétés individuelles, ce qui ajoute une nouvelle complexité au problème de la gestion des risques. l identification du risque : Des cartes sont créées pour afficher les indices de risque. Des modèles de transports des contaminants et le flux des eaux souterraines sont aussi développés pour prédire les expositions futures et pour déterminer les sources des contributions. l analyse de la vulnérabilité : Les régions nécessitants une attention particulière sont classées en prenant en considération la localisation des groupes vulnérables comme les enfants, les femmes enceintes, qui sont les plus vulnérables aux risques sanitaires. 7 Le programme «Superfund» est destiné à décontaminer les sites contenant des déchets dangereux et à protéger les populations et l environnement. L objectif du programme «Superfund» est de protéger l environnement sur le long terme, des relâchements réels ou potentiels de substances dangereuses issues de sites contenant des déchets dangereux abandonnés ou non contrôlés

35 2.5 L application des SIG dans la gestion des risques naturels La cartographie du risque Les cartes de risques (figure 2.12), par opposition aux cartes de vulnérabilité, ont vu le jour depuis plusieurs décennies. Par exemple, les cartes de risques suisses délimitant les zones d avalanches ont été produites depuis Gruber et al. [53] ont noté que les zones d avalanches ne donnent aucune preuve sur les risques potentiels d avalanches causés par les événements extrêmes, ou les conditions environnementales évolutives, et reflètent uniquement les enregistrements historiques. Cependant, elles fournissent un aperçu historique utile du risque dans une région. Fig Carte des communes soumises au risque de mouvement de terrain Des travaux récents ont essayé d adapter les modélisations physiques pour affiner la prédiction des couloirs d avalanches avec un SIG [67] [53]. Cligniez [26] a examiné l importance de la représentation spatiale pour la prédiction des avalanches et la modélisation des simulations. A la différence des autres applications SIG simples qui utilisent les capacités cartographiques [87] [70] [111], Lanza et al. [79] ont définit une méthodologie pour l évaluation des risques d inondation en intégrant les SIG et la modélisation hydrologique distribuée. Un SIG a été utilisé pour dériver des résultats à partir des modélisations des débits de pluies, et les combiner avec l imagerie satellitaire pour identifier les occurrences probables des événements météorologiques extrêmes. Comme dans de nombreux cas, la modélisation physique des risques est réalisée à l extérieur du SIG car les capacités de modélisation numérique du SIG sont limitées (voir [19] pour un exemple d intégration du modèle hydraulique avec un SIG) La procédure d évacuation La modélisation de la procédure d évacuation dans les SIGs a reçu une attention particulière dans la literature sur les risques naturels. Les expériences dans cette activité sont intéressantes pour la gestion des risques naturels puisqu elles intègrent à la fois des données physiques sur les risques naturels et des données sur la population. Historiquement, le besoin de disposer des plans d évacuation (figure 2.13) a été ressenti pour évacuer des personnes vivant à proximité des usines nucléaires et des sites de productions chimiques [68]. Les catastrophes dans les réacteurs nucléaires à «Three Mile Island» en 1979, et à «Chernobyl» en 1986, ont été les facteurs motivants dans ce domaine de recherche sur les risques. Dans son étude sur la modélisation de la vulnérabilité et l évacuation des personnes en utilisant les SIG, Cova et al. [31] ont introduit le concept de «Emergency Planning Zone» EPZ (la zone de planification d urgence). Ils

36 2.5 L application des SIG dans la gestion des risques naturels Fig Plan d évacuation du Hurricane Jupiter, Source : FEMA notent que le concept EPZ était très utile pour la planification de l évacuation, parce qu...il sert comme un accord formel entre les gestionnaires de secours sur la définition de l évacuation possible. Ceci permet aux analystes de se focaliser sur les problèmes liés à l estimation et à la réduction du temps qu ils peuvent passer pour sécuriser une zone. La délimitation d une EPZ crédible peut se révéler une tâche technique et politique significative pour certains types de risques 8. Les recherches de Cova et al. [31] ont abouti à une approche basée sur les SIG pour la modélisation des évacuations avec la prise en compte de l incertitude spatiale. Les incertitudes existent notamment pour les risques avec déclenchement rapide comme les fuites toxiques et les incendies urbains. De-Silva et al. [33] présentent un exemple de système d aide à la décision pour la planification des secours. Ils ont utilisé des modèles de simulation avec un SIG pour modéliser les routes d évacuation dans le cas des catastrophes radiologiques. Le système utilise des données spatiales avec des algorithmes de modélisation des réseaux, combinés avec des modèles de simulations, pour prédire le flux du trafic du réseau avec des scénarios variés (pannes de voitures et routes barrées par exemple). Le système est conçu comme un outil de planification d événements inattendus pour évaluer un ensemble de stratégies de gestion précédant l événement. De la même manière, Newsom et al. [95] ont intégré le modèle DYNamique d Evacuation (DYNEV) pour l évacuation du trafic dans un SIG. Le système permet de modéliser l évacuation des personnes vivant à l intérieur d une zone de 10 Km à proximité d une centrale nucléaire. Le modèle utilise les flux et les directions des voitures, l occupation des véhicules, le volume des véhicules sur la route, et les données du recensement pour prédire le nombre de véhicules de secours, les capacités du réseau routier et les nœuds de destination. 8 Source : cova/cova-church-1997.pdf

37 2.5 L application des SIG dans la gestion des risques naturels L organisation des secours Les services publiques de gestion des secours, comme les services d ambulances, de police, et d incendie ont rapidement adopté les SIG pour la gestion de parcs. Schwarz [107] note que de tels systèmes sont utilisés à trois niveaux : la géo-référenciation automatique, la cartographie automatique, la planification et l analyse. Les services d urgences de «Victorian» ont récemment implémenté un SIG avec le système Intergraph à 150 millions de dollars, pour l enregistrement des appels, la coordination des interventions quotidiennes pour les incendies, la police et les services d ambulances La réhabilitation : l évaluation des dommages et des dégâts D autres exemples d applications utilisent les SIG comme des outils d inventaires pour la réhabilitation postcatastrophe, et l évaluation des dommages et des dégâts. En Californie, un SIG est utilisé dans les incendies d «Oaklan» pour quantifier l étendue spatiale et les dommages dans toutes les structures [36]. L évaluation des dommages post-catastrophes a deux objectifs : fournir des informations immédiates pour l allocation des aides fédérales aux victimes de la catastrophe, et utiliser les informations pour cartographier le comportement de l incendie pour des analyses ultérieures de risques dans d autres régions de l Etat. De façon similaire, Rosenfeld [104] illustre l utilisation des SIG et du GPS 9 pour la cartographie des dommages des inondations parvenues au Bangladesh pour les programmes de réduction de la vulnérabilité et d éducation sur les risques futurs. Dans la phase d évaluation des dommages d Hurricane «Andrew» en Floride, Antonini et al. [8] ont utilisé un SIG pour cartographier les navires endommagés. Le SIG est utilisé pour modéliser la relation entre les dommages et les facteurs déclenchants comme les marées, et pour classer les zones aux impacts potentiellement élevés en se basant sur la concentration des bateaux endommagés ou coulés. Les dommages structurels des bateaux sont utilisés comme un indicateur complémentaire de la valeur de l endommagement environnemental. L identification des navires endommagés devrait ainsi prévenir des dommages supplémentaires aux zones sensibles. Bocco et al. [14] ont intégré des photographies aériennes, des données d occupation du sol, et des modèles numériques de terrain pour évaluer les dommages et les dégâts des inondations du «Mexique». Le système développé a été spécialement conçu pour l évaluation des dommages, et a évolué pour être utilisé par les urbanistes, et pour être la base d un système d information urbain à grande échelle Les expériences des entreprises publiques dans la gestion des risques Les entreprises d utilité publique ont évolué progressivement vers des systèmes informatiques en s appuyant sur la topologie pour identifier les risques dans leurs réseaux. Ces derniers sont constitués principalement de réseaux électriques, des réseaux d installation de gaz naturel, et des réseaux routiers et de télécommunications. Le SIG permet par exemple d analyser des modèles spatiaux des chutes quotidiennes du réseau pour identifier leurs relations avec d autres facteurs [133] [134]. Les résultats permettent une meilleure allocation des ressources et de gestion de temps, avec une diminution du nombre de nœuds en panne dans le réseau. De telles modélisations permettent de réduire les coûts des entreprises, et améliorent la qualité des services aux consommateurs. Les leçons apprises des risques (quotidiens) à fréquence élevée et les traitements appliqués pour leur gestion, peuvent être adaptés aux risques à faibles fréquences tels que les cyclones et les tremblements de terre. Des problèmes de compétitivité et de confidentialité ont tendance malheureusement à empêcher les entreprises de partager leurs expériences dans la gestion des risques avec le grand publique. 9 Global Positionning System

38 2.6 L incertitude et les risques naturels Les systèmes pour la protection de l environnement Pendant que la plupart des applications mettent l accent sur l amélioration de la sécurité publique, ou la modélisation des risques naturels, certaines études se sont aussi intéressées aux risques dans les systèmes de protection de l environnement. Un exemple est l utilisation du SIG pour l évaluation de l indice de sensibilité environnementale dans la réponse aux marées noires dans la côte d «Alaska» [69]. Le SIG délimite les zones d importance écologique pour allouer les ressources de réponses aux marées, et pour minimiser les dommages et les dégâts écologiques. Le résultat de la cartographie de la sensibilité environnementale est une carte de vulnérabilité environnementale indiquant la présence ou l absence d espèces animales particulières. De façon similaire, l étude de Ramsey et al. [102] ont intégré l imagerie satellitaire avec un SIG pour identifier les impacts des hurricanes sur les zones humides forestières dans la «Louisiane». En Australie, Puotinen [100] a intégré des modèles météorologiques, mathématiques, et spatiaux avec un SIG pour identifier les impacts des cyclones sur les récifs corales dans le «Queensland». 2.6 L incertitude et les risques naturels L étude de l incertitude dans la gestion des risques naturels a reçu récemment une attention particulière [48] [94] [103] [29] [57] [32] [132]. Un exemple de l utilisation de l incertitude a été l étude de Emmi et al. [40]. Dans cette étude, des simulations aléatoires pour perturber la localisation des zones de tremblements de terre ont été appliquées à l interieur d un SIG. L impact des changements résultants sur les pertes des bâtiments a été évalué dans la ville de «Salt Lake City», dans l Utah. L expérience est d une importance particulière parce qu elle quantifie l incertitude en terme de résultats de risque final, dans ce cas en terme de bâtiments endommagés. Les techniques de simulation permettent aux chercheurs en risques naturels d identifier et de développer des stratégies de réduction du coût comme l amélioration de la résolution des données, ou en réalisant davantage d enquêtes vérité terrain [40]. L analyse de l incertitude permet aussi aux gestionnaires du risque de répondre aux questions sur l erreur des modèles de risque et de guider les acquisitions futures des données. Davis et al. [32] ont utilisé dans un SIG la logique floue et des simulations Monte Carlo [42] dans un modèle de stabilité de pente pour la «Colombie Britannique», Canada. La méthode met l accent sur la nature incertaine du risque quand les modèles de données spatiales polygonales sont utilisés. Murillo et al. [90] ont évalué l incertitude dans un modèle de présomption de glissement de terrain sur un site en «Oregon», USA. Pour évaluer le rôle de l incertitude spatiale, des réalisations de modèle numérique de terrain (MNT) à plusieurs niveaux ont été créées, et incluses dans le modèle de stabilité des pentes. Les résultats ont été cartographiés, et les régions ayant un fort potentiel de risques ont été mises en évidence par une couleur particulière montrant une certitude élevée du risque. Wadge [128] a aussi étudié l importance de l erreur du MNT dans les flux gravitaires et les instabilités des pentes. Les exemples précédents se sont intéressés à une partie des incertitudes sur le risque. Cependant, d autres composantes sur l incertitude peuvent exister, comme celles associées aux opérations spatiales, à l incertitude inhérente au modèle du risque, et à l incertitude associée à la généralisation cartographique. 2.7 Les SIG et l évaluation de la vulnérabilité Les exemples d application des SIG dans l analyse de la vulnérabilité mettent souvent l accent sur la vulnérabilité structurelle, comme les routes ou les pipelines de gaz [106] [7] [120] [114] [50] [92] [32]. D autres expériences se sont intéressées à l analyse de la vulnérabilité des bâtiments résidentiels et commerciaux, et leur risque d endommagement dû aux inondations, aux vents, aux avalanches, aux tremblements de terre et auwx glissements de terrain

39 2.7 Les SIG et l évaluation de la vulnérabilité [112] [44] [47] [111] [3]. Les aspects humains et sociaux de la vulnérabilité ont été rarement inclus dans l évaluation du risque. La figure 2.14(c) montre un exemple de la carte de vulnérabilité produite à partir de croisement de deux couches d informations : la carte des aléas 2.14(a) (phénomènes) et la carte des enjeux 2.14(b) (éléments exposés). L exemple est repris de la procédure PPR (plan de prévention des risques). (a) Une carte d aléas (b) Une carte d enjeux (c) Une carte de vulnérabilité = La superposition entre la couche carte des aléas et la couche carte d enjeux Fig Evaluation de la vulnérabilité à partir de la connaissance des enjeux et des aléas Un exemple intéressant de l application des SIG dans l évaluation de la vulnérabilité des réseaux est le projet «Christchurch Engineering Lifelines Project» en «Nouvelle Zealand» [52]. Le projet fournit une approche multirisques de l évaluation de la vulnérabilité, et traite les risques de tremblement de terre, des inondations, des tsunamis et des risques météorologiques. Un SIG a été utilisé pour créer des cartes pour visualiser l étendue spatiale du risque, et pour superposer les réseaux afin d identifier les nœuds qui sont les plus menacés. Le projet est intéressant car il a réussi à ramener les entreprises publiques et les organisations de gestion des secours à partager les données et les idées dans l objectif commun de la sécurité publique

40 2.8 Les initiatives à l échelle nationale Une autre expérience pour intégrer la vulnérabilité dans la gestion des risques naturels a été le travail de Foster et al. [46] pour la cartographie multi-risques dans la «Colombie Britannique». Cette étude est l une des premières à utiliser le système SYMAP 10. L étude a intégré des données sur les tremblements de terres, les inondations, l érosion de la surface, et 14 autres risques pour identifer les pertes potentielles annuelles en dollars par hectares dans la région de «Greater Victoria». Une autre expérience a été l étude de Granger [51], qui a utilisé le système MAP 11 pour intégrer la vulnérabilité et la modélisation des risques dans la gestion des risques volcaniques en «Papua Nouvelle Guinée». 2.8 Les initiatives à l échelle nationale Au niveau national, certains pays ont pris conscience de l importance de mettre à disposition et à grande échelle des données géographiques ou non, relatives aux risques naturels, pour le compte des organismes qui en demandent. La mise à disposition de ces données se fait principalement à travers le Web, avec des moteurs de recherche qui permettent de rechercher ces données au moyen de métadonnées, et la description des ressources. Les projets de gestion des risques naturels qui utilisent les techniques SIG à une échelle nationale sont relativement rares. Ceci est dû en grande partie au fait que la modélisation à des échelles et des résolutions spatiales pratiques exigent d énormes ressources L exemple Américain Dans les pays développés, des pays comme les états-unis 12 sont en avance dans la production et la mise à disposition de données géographiques relatives à certains risques (les inondations par exemple). Le programme Environmental Monitoring and Assessment Program («EMAP») [41] a été créé pour identifier les risques écologiques sur le territoire des états-unis. Il repose sur l utilisation d un SIG pour intégrer des bases de données disponibles et des modélisations relatives aux ressources écologiques. Même si le projet ne s adresse pas spécialement à la gestion des risques naturels, le projet est important pour sa portée nationale. «EMAP» est destiné à surveiller la condition des ressources écologiques nationales. Le programme surveille les concentrations polluantes ambiantes, les taux des dépositions acides, les inventaires d émissions polluantes, et d autres risques et indicateurs de risques. Dans le cadre du programme «National Flood Insurance Program», des cartes numériques d inondations «DFIRMS» (Digital Flood Insurance Rate Maps) et des données d inondations Q3 13 ont été utilisées pour supporter les stratégies de mitigation des risques d inondation. Le programme nécessite aussi l identification de toutes les plaines inondables et l établissement des zones à risque d inondation. Les plaines d inondations sont délimitées avec des études d assurance d inondations «FIS» (Flood Insurance Study). Les zones «FIS» sont réalisées en utilisant des analyses statistiques des données sur les flux des rivières, des tempêtes, des informations sur les précipitations, des données topographiques, et des analyses hydrologiques et hydrauliques. Les résultats d une étude FIS sont utilisés pour développer des cartes de taux d assurances d inondations «FIRM» (Flood Insurance Rate Maps FIRM), qui cartographient l extension spatiale des zones d inondation. Ces zones sont connues comme des Zones Spéciales de Risques d Inondation et délimitent les zones menacées par des inondations de probabilité 1% ou plus. Ces zones sont appelées base-flood, et forme le support sur lequel les besoins d assurance et de gestion des risques d inondation sont basés. 10 SYMAP, créé par Fisher en 1963, est l un des premiers systèmes d information Géographiques qui a été développé. Plusieurs de ses fonctionalités sont présentes dans les systèmes raster actuels. SYMPA était considéré comme un système cartographique qui repose exclusivement sur les techniques d impression en ligne, ce qui le limitait en terme de qualité et de résolution 11 Map Analysis Package 12 Aux états-unis, l agence «FEMA» (Federal Emergency Management Agency) est responsable de la gestion de ces projets de mitigation. 13 Les données Q3 représentent des cartes sur les limites des plaines d inondations

41 2.8 Les initiatives à l échelle nationale «FEMA» estime que la réalisation des «FIS» a été achevée, et que les «FIRM» ont été publiées, pour presque toutes les communautés qui ont un risque d inondation. Les études ont coûté plus de 900 millions de dollars et ont produit quelques cartes «FIRM» pour plus de communautées menacées. Un autre programme de l agence FEMA est HAZUS 14. HAZUS est une méthode complexe d estimation de dommages sismiques, présentée sous la forme d un logiciel, développé par l Institut National pour les Sciences de la Construction (aux Etats Unis d Amériques). Réalisée dans sa première version en 1997, l approche a été revue en Une équipe pluridisciplinaire, composée d ingénieurs, géologues, géographes, architectes, économistes et gestionnaires de crise a été réunie pour développer cette méthode. Initialement dédiée uniquement au risque sismique, elle fait aujourd hui l objet de développements concernant d autres risques naturels, notamment d inondations et de tempêtes. Le logiciel est organisé en plusieurs modules interdépendants, permettant l insertion de nouvelles données complémentaires ou de nouveaux modules de calcul. Ainsi, des améliorations peuvent être apportées notamment dans le cadre d une application particulière, en fonction des données disponibles. Le caractère modulaire du modèle apporte à l utilisateur la possibilité de limiter l analyse à son niveau d intérêt. L exploitation du modèle peut être divisée en six parties principales : l inventaire des enjeux, l analyse de l aléa, l estimation de dommages physiques directs, l estimation des dommages physiques indirects, et des pertes économiques directes et indirectes. L ensemble des modules, des informations ainsi que des résultats est présenté sous une forme cartographique et intégré dans un SIG. L utilisation du modèle, ayant un caractère universel, n est pas dépendante du SIG utilisé, mais la possibilité d analyse spatiale représente toutefois un atout non négligeable L exemple Français En France, la cartographie est, pour le moment du moins, essentiellement une cartographie de l aléa 15. Elle était au départ thématique, c est-à-dire qu elle traite chaque risque séparément. En ce qui concerne les inondations par exemple, son établissement est réparti dans les services de l Etat, départements ou régions. On y trouve : les atlas de zones inondables (AZI) les atlas de plus hautes eaux connues (PHEC), les cartes de localisations probables des avalanches (CPLA), les bases de données cavités souterraines et mouvements de terrains. A une échelle moins détaillée existent des cartes de vents, de l aléa sismique, de foudre, de températures et de l aléa sécheresse. Il s agit essentiellement d une cartographie des connaissances, à partir des phénomènes observés ou de leur trace, avec peu de modélisation. A partir de ces documents élémentaires, des cartes de synthèse ont été introduite aux échelons départemental (DDRM) et communal (DCS). L Etat est, dans certaines communes, allé plus loin en élaborant des préconisations obligatoires d urbanisme et de construction pour tenir compte du risque. Ce sont les plans de prévention de risques (PPR) La diffusion de l information géographique sur les risques L information géographique sur les risques, quand elle existe, est consultable dans les services déconcentrés de l Etat et dans les mairies. Cependant, aujourd hui, la plupart du temps, on ne peut apprendre l existence d études sur un territoire donné qu en se déplaçant vers les services régionaux comme la direction départementale d équipement (DDE), la direction départementale de l agriculture et de la forêt (DDAF), ou la direction régionale 14 plus d informations disponibles au site http :// 15 On rappelle que l aléa est une autre appellation du risque, elle consiste en tout phénomène naturel d occurrence et d intensité données

42 2.8 Les initiatives à l échelle nationale de l environnement (DIREN). L information est donc dispersée. De plus, sur un thème, sauf lorsqu un établissement public en est chargé, les données sont hétérogènes. Elles sont loin d être toutes sous forme numérique, et lorsqu elles le sont, elles présentent parfois des difficultés d emploi. La diffusion des données elles-mêmes est un sujet largement plus délicat, notamment de par la question liée à la propriété intellectuelle, mais aussi au sujet de la responsabilité des gestionnaires de données, en particulier dans le cas d emploi en dehors de leur champ de validité. Les notions de traçabilité des données, et de leur qualité, sont donc fondamentales. L Etat travaille néanmoins à construire des catalogues de données, car, en même temps que certaines sociétés privées dans d autres domaines, il a pris conscience de l importance de gérer ce volume de données. A terme, l intérêt est de cataloguer, par commune, toutes les cartes de risques disponibles. Un exemple intéressant est celui du Comité Régionale de l Information Géographique P.A.C.A 16. Il montre bien ce que peut apporter un catalogue de données, avec les descriptifs techniques utiles (objets, attributs...) et les interlocuteurs chargés de leur gestion. Le catalogue des données pose aussitôt la question de la diffusion de ces données. Le Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM), a publié en 2001 sur Internet quatre bases de données spatialisées, propriétés de plusieurs organismes publics : sur les cavités souterraines ( sur les mouvements de terrains ( sur les séismes historiques et paléoséismes ( et D autres modes de diffusion, par CDROM notamment, devront également être mis en place pour accompagner l augmentation du volume de données diffusées L exemple Anglais En octobre 2000, Sitescope Limited a ouvert, en Angleterre, un service Internet ( renseignant sur les risques environnementaux liés à un patrimoine immobilier. Ce site Web, fournit en ligne des états de l environnement destinés aux professionnels traitant des transactions de biens immobiliers, mais aussi à des notaires, des géomètres, des assureurs, et des banquiers. De même, les particuliers peuvent contrôler l état environnemental de leur habitation, sur de nombreux thèmes tels que le risque d inondation, la proximité des décharges et des sites pollués, le risque d affaissement minier, etc. Le site délivre plus de états en ligne, fournis à l écran, mais aussi sur papier. Il permet à l utilisateur de visualiser sur une carte, tout danger de nature environnementale qui a été trouvé dans un périmètre de 500 mètres. Pour se localiser, l utilisateur utilise le système «Address-Point System» défini par l Ordnance Survey qui localise 25 millions d adresses enregistrées dans le Royal Mail PostCode Address File (PAF). D autres identifiants spatiaux sont également disponibles comme le code postal. A chaque parcelle a été attribué un identifiant «Unique Property Reference Number» (UPRN) qui agit comme un index spatial et qui permet d associer à un patrimoine immobilier des informations spatiales. Il est important de noter que les informations environnementales sont extraites de bases de données d organismes publics comme : Environment Agency, English Nature, British Geological Survey, Health and Safety Executive, Radiocommunications Agency, Coal Authority, Department for Environment, et Food and Rural Affairs. La cartographie du 1/3000 ème au 1/ est produite par l Ordnance Survey qui est l organisme gouvernemental de cartographie national 17. Cette cartographie est disponible sous forme numérique pour l ensemble du territoire. 16 http :// 17 Equivalent de l IGN en France

43 2.9 Conclusion L exemple Canadien Une initiative similaire à celle entreprise par les états-unis est en cours de développement par l agence Emergency Preparedness Canada 18. NHEMATIS (Natural Hazards Electronic Map and Assessment tools Information System) intègre un système expert, un SIG ArcView, une base de données relationnelle et des modèles physiques de risques [122]. Ceci est intégré avec des données sur les infrastructures et la population pour développer des analyses de risques et de vulnérabilité. Le système a été développé pour la modélisation des pertes liées aux tremblements de terre et aux vents pour un nombre d études de cas urbains au Canada L exemple Australien En Australie, peu d initiatives nationales sur la gestion des risques naturels utilisant les SIG existent. Un exemple est celui de «the Australian Geological Survey Organisation s (AGSO s) National Geohazards Vulnerability of Urban Communities Project 19». Le projet développe des méthodologies d évaluation de risques pour des études de cas comme «Launceston» et «Cairns», avec une attention particulière sur le risque de tremblement de terre et des glissements de terrain. Le SIG est une partie clé de la méthodologie, bien qu aucun logiciel spécifique n ait été développé comme c est le cas des projets HAZUS et NHEMATIS L initiative INSPIRE : INfrastructure for SPatial InfoRmation in Europe Lancée en Janvier 2002 par la DG Environment, l initiative INSPIRE veut doter l Europe d une infrastructure de données spatiales homogènes sur l ensemble du territoire européen pour suivre l impact de ses décisions en matière environnementales 20 (voir figure 2.15). La directive s appuie sur deux constats : Le premier porte sur la dimension spatiale de toute information environnementale (eau, air, climat, biodiversité...) Le second, renvoie à la nécessité d une approche coopérative pour bâtir cette infrastructure de données pour tenir compte des différents niveaux d intervention, local, national et européen. Parmi les principes que la directive met en avant concernant l information géographique, on relève, en autres : L information doit être collectée une fois, Il doit être possible de combiner aisément les informations spatiales de différentes sources, Les informations doivent être partageables, 2.9 Conclusion La menace engendrée par les risques naturels reste présente partout dans le monde, et est accentuée par la croissance exponentielle de la vulnérabilité au niveau mondial. Le caractère brusque de l apparition des risques naturels rend leur gestion relativement difficile. Cependant, avec l apparition des nouvelles technologies, et avec la disponibilité des moyens de stockage performants, l archivage des historiques des phénomènes, et la collecte des informations en temps réel s est trouvé facilité. Les systèmes d information peuvent jouer un rôle important dans l organisation, le traitement et la présentation de toutes ces données, pour atténuer des effets des risques naturels sur la population et leur environnement. 18 http :// 19 pour plus d informations consulter le site : http :// 20 http ://

44 2.9 Conclusion Fig L initiative INSPIRE : Infrastructure for Spatial Information in Europe Dans ce qui suit, nous présentons à titre d exemple, quelques applications développées dans le cadre de la convention CIFRE, et qui sont déjà opérationnelles dans de nombreux organismes comme les mairies, les communes, et les entreprises de génie civil et géotechniques

45 Chapitre 3 Quelques applications relatives aux risques naturels Sommaire 3.1 Introduction Le système EMMA Le système SysPPR Le système GéoInfo Introduction Durant les dernières décennies, il y a eu une prise de conscience du fait que l action humaine et les catastrophes naturelles ont un impact négatif sur l environnement. Cette attention a incité les pouvoirs concernés à mettre l accent davantage sur la gestion des risques à travers des études de risques, ou par le développement de systèmes informatiques. L objectif étant de contribuer à la diminution des impacts des catastrophes naturelles. Le développement actuel de l informatique a permis de disposer de grandes quantités d information délocalisées par le biais des réseaux. Ce qui est le cas pour le domaine des risques naturels, particulièrement riche en informations qu il est nécessaire de prendre en compte, entre autres, dans le développement de systèmes d information. L objectif du développement des systèmes d information pour la gestion des risques naturels est de répondre principalement aux quatre phases de la gestion des risques : la prévention, la préparation, la réponse, et la réhabilitation (voir Section 2.2). A chacune de ces phases correspond un nombre considérable de données et de traitements qu il faut considérer. Une meilleure connaissance des objectifs de ces phases et des éléments qui contribuent à leur réussite reste une étape incontournable pour la construction d un système d information pour la gestion des risques naturels Contributions Pour accompagner l entreprise d accueil dans son effort de développement des systèmes d aide à la décision en matière de gestion de risques naturels (Voir figure 3.3), nous avons conçu et réalisé un certain nombre de systèmes

46 3.1 Introduction opérationnels qui ont été testés sur deux territoires réels menacés par des risques potentiels (Val d Isère, Megève). Chacun de ces systèmes, avec son propre objectif, traite une ou plusieurs parties de la problématique de gestion des risques naturels, en supportant les principales fonctionalités requises dans un système d aide la décision (figure 3.1). On peut en citer par exemple [81] : :;<98=>; 9?@<4<AB 0!"#$ %! &#$ "' ()*)$+(#!$,--#&!"#$ ).")/)" $ Fig. 3.1 Les fonctionalités et les caractéristiques d un système d aide à la décision, d après Turban et Aronson 1998 [123] L acquisition des informations stratégiques nécessaires pour la problématique traitée, comme les informations sur le territoire, les phénomènes, et les éléments exposés. Ces données peuvent être déjà prêtes pour l utilisation, ou bien acquises en temps réel. Des modules de type «Qu est ce qui se passe si» (What-If) pour l analyse des données (figure 3.2) ; Cette partie du système permet généralement de prévoir le comportement du territoire si certains éléments présents dans le système évoluent. Ils permettent également de simuler différentes situations, et de comparer leurs effets. La visualisation des résultats ; pour toute alternative, les principales variables peuvent être visualisées pour les comparer visuellement. Plans d actions ; i.e. quand un cas ou situation est sélectionné, quelques actions peuvent être choisies et implementées. Ainsi, dans le système EMMA 1 (Section 3.2), la problématique d évacuation des personnes en danger dans des zones menacées par des risques d avalanches a été traitée. EMMA est un système destiné à la gestion de la sécurité des personnes soumises à un risque d avalanche en cas de circonstances météorologiques dangereuses en station de sports d hiver. Plus qu un plan de secours classique, le système offre des fonctionnalités de structuration 1 Evacuation des immeubles Menacés par des Avalanches

47 3.1 Introduction L intégration des données Des modèles «What-If» Acquisition des informations La visualisation des résultats Des plans d actions suggérés Fig. 3.2 La structure d un système d aide à la décision spatiale, adapté à partir de Laurini 2001 [81] et de traitement en temps réel de paramètres complexes et évolutifs représentatifs de l occupation des lieux, de l extension et des caractéristiques des phénomènes, et enfin des logistiques de mise en sécurité. Il permet aussi de simuler divers scénarios évènementiels et d affiner la préparation des acteurs face à ces scénarios. Une description du territoire en termes de parcelles et bâtiments est fournie, complétée par une étude de la vulnérabilité des bâtiments face aux couloirs d avalanches. Des mesures de sécurités ont été renseignées pour chaque bâtiment menacé par un couloir d avalanche. Acquisition des données Stockage et intégration des données Accès & Visualisation des données Gestion de risques naturels Mitigation Préparation Réponse EMMA SysPPR Bâtiments, Éléments Parcelles, exposés Routes, Etc. Modèle Numérique Territoire de Terrain, etc Contours Avalanches, Phénomènes Témoignages, photos, Éléments exposés Territoire Phénomènes Bâtiments, Parcelles, Routes, Etc. MNT, géologie etc Cartes d extensions de: Glissements de terrain, Avalanches, Inondations, Etc. -Traduction de format de données -Intégration des informations sur les bâtiments -Géocodage des adresses, -Géo-rectification des images -Calage des images aériennes -intégration des information selon le schéma de la base -Calcul des extensions des -phénomènes -Traduction de format de données -Intégration des informations sur les bâtiments -Géocodage des adresses, -Géo-rectification des images -Calage des images aériennes -intégration des information selon le schéma de la base -Cartographie des avalanches -Estimation des personnes à évacuer -Simulation des scénarios d avalanches -Recherche par critère de Vulnérabilité. -Cartographie des risques -Estimation des pertes et des dommages. -Simulation des scénarios de risques -Navigation des documents réglementaires Réhabilitation GéoINFO Éléments exposés Territoire Bâtiments, Parcelles, Routes, Etc. Modèle Numérique de Terrain, etc Sondages, Essais laboratoires, Etc. Essai1 Date: 12/02/ Traduction de format de données -Mappage des orthophotos -Import des fichiers des données -Calage des images aériennes -persistance des données géotechniques -Cartographie des sondages, -Visualisation des sondages et des essais géotechniques -Interpolation et estimation des informations du sous sol. -Évaluation des risques de glissement de terrains et d autres risques géologiques. Fig. 3.3 Une synthèse des systèmes d information développés et leurs relations avec les procédures de gestion des risques naturels

48 3.1 Introduction Le second système développé est celui de SysPPR 2 (Section 3.3), qui a été testé sur la commune de Megève. Le but de ce système est d organiser un ensemble de données relatives à la gestion des risques naturels de la commune, tels que les données sur le territoire, les éléments exposés, et les phénomènes naturels qui touchent la commune. Des couches d informations issues principalement de la direction générale des impôts (DGI) ont été utilisées pour décrire les éléments exposés (comme les bâtiments et les parcelles). Le système permet d informer les responsables communaux sur les risques potentiels qui les menacent. C est un système communal de gestion des risques qui permet, au-delà des affichages traditionnels, de donner aux divers acteurs de la prévention les moyens de gestion, d appropriation et de consensualisation autour des phénomènes pressentis et de leurs conséquences prévisibles en matière de dommages, dysfonctionnements et préjudices. Tout en permettant l affichage requis par les règles administratives de présentation du PPR 3, le système couvre les besoins du DICRIM 4 et du Plan Municipal de Secours. La connaissance d un certain nombre de risques naturels, tels que les mouvements de terrain, fait appel à la connaissance plus ou moins précise du sous sol. Malheureusement, l ensemble des informations issues des compagnes géotechniques ne sont pas structurées dans des supports informatiques, et sont souvent sur support papier, ce qui rend leur utilisation difficile. Le système GéoInfo (Section 3.4) essaye de pallier à ce manque en proposant une infrastructure pour l organisation des données du sous sol, leur stockage, et leur analyse cartographique. GéoInfo trouve son champs d application dans de nombreux domaines comme l aide à la mise en valeur de l expérience acquise pour la connaissance du sol et du sous-sol, et à la mise en forme de synthèses géotechniques. Le système a été testé dans notre cas pour le stockage la structuration, et la cartographie des études géotechniques effectuées dans le cadre du tracé TGV Lyon-Turin. Dans la suite de cette partie, nous exposerons les grandes caractéristiques de ces systèmes, leurs architectures, et leurs fonctionnalités. Ils seront présentés dans l ordre suivant : EMMA, SysPPR, et Géoinfo. 2 Système PPR 3 Plan de Prévention des Risques 4 Dossier d Information Communal sur les RIsques Majeurs

49 3.2 Le système EMMA 3.2 Le système EMMA Introduction Comme beaucoup de stations de sports d hiver, Val d Isère est menacée par des avalanches. Les montagnards connaissent ce risque et savent depuis longtemps les précautions à prendre pour s en protéger. Les touristes qui viennent consommer la montagne l ignorent et ne se plient que très difficilement aux contraintes à respecter lorsque les conditions météorologiques se dégradent. C est un phénomène de société avec lequel il faut composer, avec celui de la responsabilisation croissante des élus par rapport aux risques déclarés sur leurs communes. A côté des dispositions d urbanisme et des plans de secours déjà existants, il a paru souhaitable de créer un nouvel outil de gestion de l alerte et d organisation de la mise en sécurité des populations, et notamment des populations touristiques. Tel est l objectif premier du système EMMA : (Evacuation des immeubles Menacés par des Avalanches). Les spécifications du système prévoyaient qu à l issue d une première phase (Cemagref - RTM 5 ) d identification des zones susceptibles d être atteintes par les avalanches et l analyse de leur vulnérabilité, le système identifie zone par zone les enjeux de la procédure d évacuation, les contraintes associées et les aspects logistiques correspondants La prévention du risque avalanche Depuis que l homme habite en montagne, il est confronté à prévenir la destruction des biens et des dommages corporels dûs aux avalanches (figure 3.4). Fig. 3.4 Exemple du phénomène avalanche Réagissant à la catastrophe de Val-d Isère en 1970, certains éléments ont vu le jours, comme L Association pour l Etude de la Neige et des Avalanches (ANENA), les Cartes de Localisation Probable des Avalanches (CLPA), les Plans des Zones Exposées aux Avalanches (ETNA) au Cemagref depuis, ainsi que la prévision du risque d avalanches sous l impulsion du Centre d Etude de la Neige (CEN) de Météo France. Actuellement, la prévention continue à être fondée sur une multitude de volets, dont on peut citer quelquesuns parmi les plus significatifs (figure 3.5) : 5 Restauration des Terrains en Montagne

50 3.2 Le système EMMA " " " " # " # # " " " " # " # # *+,-./012/ /89.3! ( &" ) ) " " " "##" $# % # $ &' # Fig. 3.5 Les éléments constitutifs de la prévention du risque avalanche la connaissance historique des phénomènes, l information préventive de la population, la préparation aux situations de crise, la prise en compte du risque avalanche dans l aménagement du territoire La connaissance historique des phénomènes En France, la grande majorité des couloirs avalancheux menaçant le territoire est connue, mais le niveau des connaissances disponibles est variable. Il convient donc, dans un premier temps, de faire le point de ce que l on sait sur un site donné. Divers documents existent dans ce domaine. A. La Carte de Localisation des Phénomènes d Avalanches C.L.P.A. (Carte de Localisation Probable des Avalanches) suivant l ancienne appellation. Ce sont des documents cartographiques établis par des spécialistes du Cemagref. Ce travail a commencé après l avalanche historique de 1970 à Val d Isère (39 morts). Ces cartes tendent à être exhaustives dans le report des emprises d avalanche. Les éléments reportés au niveau de l enquête de témoignage ne font en aucun cas appel à une étude prospective. Seule l information jugée crédible et suffisamment précise y est reportée. Les CLPA contiennent en fait deux types d informations (figure 3.6) : Une délimitation par photo-interprétation des zones à activité avalancheuse : l analyse du relief et de la végétation, à partir de photographies aériennes stéréoscopiques d été, permet de réaliser une cartographie des zones susceptibles de connaître ou ayant vraisemblablement connu une activité avalanche ; pour la première édition de CLPA, ce travail a été réalisé par l Institut Géographique National (IGN). Une délimitation par recueil de témoignages (anciens habitants, pisteurs, archives, etc.) : cette enquête permet de reporter l extension maximale connue des emprises d avalanches. B. L enquête Permanente sur les Avalanches E.P.A. Dès l année 1900, les agents de l administration des Eaux et Forêts se sont mis à consigner chaque hiver les avalanches notables sur leurs secteurs, du moins celles qui

51 3.2 Le système EMMA Fig. 3.6 La carte CPLA ARVAN-GLANDON ; Cemagref-IGN ; 1993, Source Cemagref IGN étaient observables depuis les pieds de pentes accessibles. Dans la pratique, les observateurs consignaient manuellement les caractéristiques des événements. En 1971, ce système fût remplacé par des fiches encochables. Il s en est suivi une plus grande homogénéité dans les informations collectées, mais aussi dans un premier temps des pertes de descriptions manuscrites qui ont été rétablies par la suite. Il y a ainsi maintenant, et après une révision des sites à enquêter, 4200 couloirs suivis sur le territoire ; les relevés sont pratiqués par les agents de l ONF 6. C. Les autres sources En 1972 fut lancée l Observation Permanente sur les Avalanches (O.P.A). Elle consistait à relever très précisément les limites inférieures des avalanches sur 39 sites en France perçus comme sensibles par la présence d équipements particuliers ou d urbanisation. Cette observation cessa progressivement une dizaine d années plus tard. Il existe par ailleurs, dans les services de Restauration des Terrains en Montagne (RTM) de l Office National des Forêts (O.N.F.) ainsi que dans les archives départementales ou communales, voire chez des particuliers, de nombreux documents de nature très variables : photos témoignages, coupures de presse, rapports techniques, témoignages écrits d habitants, etc. ; ces informations concernent des secteurs plus vastes que ceux couverts par les C.L.P.A ou l E.P.A. Ces documents ne sont pas toujours utilisables directement et demandent de ce fait une étude critique avant leur intégration dans une démarche de prévention L information préventive de la population L information préventive permet aux personnes d être informées sur les risques majeurs qu elles encourent. L Etat a mis en œuvre une politique d information des citoyens 7 qui repose sur l élaboration de trois principaux types de documents : 6 Office National des Forêts 7 Décret n du 11 Octobre

52 3.2 Le système EMMA un Document Départemental des Risques Majeurs (D.D.R.M), qui liste les communes concernées par les divers aléas. Il est diffusé à l ensemble des communes du département, un Dossier Communal Synthétique (D.C.S), qui contient l état des connaissances sur les risques majeurs pour chaque commune, un Document d Information Communal sur les Risques Majeurs (D.C.R.I.M), à destination de la population et qui définit notamment les modalités d affichage local La préparation aux situations de crise Ce sont toutes les décisions que peuvent prendre les collectivités et gestionnaires de sites, en vue de réduire la vulnérabilité à l aléa avalanche des biens et activités. Elles sont de deux ordres : Dans l urgence : Le maire concourt par son pouvoir de police des missions de sécurité publique 8. Il appartient donc au Maire de prendre toutes les mesures qu il juge nécessaires ; cela peut aller de l affichage du danger ponctuel jusqu à l évacuation des bâtiments, en passant par la fermeture d une voie de circulation. Il informe jusqu à l urgence le représentant de l Etat dans le département et lui fait connaître les mesures qu il a prescrites (L ). Sur le long terme : Ce sont tous les moyens mis en œuvre pour réduire la vulnérabilité par l aménagement du territoire tels qu ils peuvent apparaître par exemple dans un Plan Local d Urbanisme (P.L.U) La prise en compte du risque avalanche dans l aménagement du territoire Les mesures d urbanisme et de construction permettent de prendre en compte le risque avalanche dans l aménagement du territoire. Ainsi, les collectivités locales doivent prendre en compte les risques dans les documents dont elles ont la charge et tenir compte des informations portées à leur connaissance par l Etat comme le Plan des Zones Exposées aux Avalanches (PZEA), le Plan d Occupation du Sol (POS), et le Plan de Prévention des Risques (PPR). Ce dernier permet de délimiter les zones concernées par les risques, d en définir les conditions d occupation et d urbanisation et d y prescrire les mesures de prévention nécessaires. Le P.P.R. remplace les anciennes procédures de prise en compte du risque dans l aménagement Proposition Les informations décrites ci-dessus (la connaissance historique des phénomènes et l information préventive) présentent donc des éléments nécessaires pour la gestion du risque avalanche. Tout système prétendant la gestion de ces informations doit inclure la dimension spatio-temporelle intrinsèque à ces données. La granularité des informations sur la vulnérabilité doit être traitée, aussi bien dans la phase de modélisation que dans l étape de la visualisation, pour permettre à l utilisateur une vue intégrée. Nous développons ci-après notre proposition pour un système d information pour la gestion des risques d avalanches. Le système s intéresse principalement à la structuration d un ensemble de ressources (texte, bases de données, images, documents historiques) relatives aux objets spatiaux présents sur le territoire, comme les parcelles, et les bâtiments. Également, Le concept de vulnérabilité, relatif aux objets bâtiments, a été modélisé en respectant sa granularité. Les informations historiques sont gérées dans un système de gestion de base de données, et les images sont annotées avec du texte libre. L exploitation du système s effectue à travers trois entrées : 8 Article L du code général des collectivités territoriales

53 3.2 Le système EMMA l affichage des couches spatiales à l aide d une interface cartographique qui permet la sélection, la variation des échelles d affichages, le calcul des intersections entre les couches d avalanches et la base de données des bâtiments. l affichage des informations historiques sur les avalanches connues sur la zone. Ces informations peuvent être affichées sur les contours d avalanches en les sélectionnant dans l interface cartographique précédente. la présentation des informations sur la vulnérabilité bâtiment par bâtiment, avec une interface pour la sélection de ces derniers en fonction de critères de vulnérabilité. Système d'evaluation des IMeubles Menacés par les Avalanches EMMA Alèrte sur une avalanche Service RTM <<communicate>> Administrateur du système Sélectionner l'avalanche correspondante Météo France Calcul des personnes à évacuer Equipe sécurité civile Identification des lieux d'acceuils et moyens logitiques d'évacuation Identifier la vulnérabilité des bâtiments Décideur Afficher les composantes du territoire Utilisateur Afficher les avalanches Fig. 3.7 Les cas d utilisation dans le système EMMA La présentation du système EMMA Le système EMMA permet donc la gestion de l alerte, et l organisation de la mise en sécurité des populations face au risque d avalanche. La figure 3.7 donne les principaux cas d utilisations présents dans le système. Le tableau de bord du système EMMA comporte principalement trois entrées principales : le territoire, les phénomènes et la procédure de mise en sécurité Le territoire Le territoire est décrit par les parcelles cadastrales et le bâti. Les contours correspondants ont été extraits de la base de données cadastrale de la Direction Générale des Impôts, avec des difficultés liées d une part au fait que cette base de données comporte des informations protégées par la loi informatique et liberté, et d autre part, à ce qu elle est référencée sur les parcelles cadastrales et non sur les adresses communales, et enfin au fait qu elle

54 3.2 Le système EMMA n est pas à jour. Les constructions récentes d une part et les divisions récentes du patrimoine ne sont pas en effet prises en compte. De plus, seuls sont référencés les bâtiments privés, imposables. Enfin, les hôtels, lieux essentiels dans l évaluation de la capacité d accueil, n ont pas leur capacité d accueil renseignée. Par ailleurs, la base de données DGI est encombrée de renseignements sans aucun rapport avec l objectif poursuivi ici (voir plus en détail la source DGI dans l annexe A.3). Pour parachever la description du territoire, il a fallu caractériser le degré de vulnérabilité des divers bâtiments d accueil par rapport aux phénomènes pressentis. Cette vulnérabilité est difficile à caractériser finement et complètement. Il a été résolu de déterminer immeuble par immeuble le type de dispositions à prendre pour assurer la sécurité des occupants. Cette détermination repose essentiellement sur l expérience des services communaux, relayés par le service RTM. Elle s appuie sur le plan de secours existant, sur les dispositions particulières ou réglementaires propres à chaque immeuble (volets métalliques, ouvertures des façades exposées, accès...). Quatre options ont été définies dans un premier temps : confinement, déplacement vers un local ad hoc, déplacement vers les étages ou évacuation vers un lieu d accueil prédéterminé Le phénomène avalanche En l état actuel de la recherche, l identification des couloirs d avalanches et de leur extension relève essentiellement de l approche historique. Des zonages réglementaires ont été proposés à plusieurs reprises ces dernières années et le dernier est en train d être achevé dans le cadre du Plan de Prévention des Risques (PPR). Les contours prévisibles des avalanches ordinaires, peu fréquentes ou exceptionnelles y sont proposés. Il y en a près de quatre vingt sur le territoire communal. Fig. 3.8 Dénombrement des personnes à mettre en sécurité Les contours proposés, avec leurs trois extensions, selon la fréquence prise en compte, peuvent être sélectionnés, puis affichés par le système qui offre également un accès direct au texte de l analyse historique et aux arguments des responsables de la détermination de ces contours. Tous ceux qui sont en mesure de donner un avis pertinent sur la question peuvent ainsi le faire. Le responsable de la sécurité peut donc, à l annonce de prévisions météorologiques dangereuses, sélectionner tous les couloirs qui lui semblent devoir activer et leur affecter une extension probable (voir figure 3.7 qui représente les cas d utilisation du système). Naturellement, il serait souhaitable que cette sélection soit aidée par des prévisions météorologiques locales plus fines

55 3.2 Le système EMMA A Val d Isère, comme dans de nombreuses autres stations, il existe un nombre important de postes de mesures associés notamment aux équipements de remontées mécaniques : il serait intéressant si toutes les données pouvaient être centralisées et mises à disposition de l organisme désigné pour affiner les prévisions locales Les procédures de mise en sécurité A. Le positionnement et le dénombrement des personnes concernées Une fois le territoire et les phénomènes sont caractérisés, il reste à estimer le nombre et la localisation des personnes à mettre en sécurité et à déclencher les opérations correspondantes. La figure 3.8 montre comment le système identifie les immeubles touchés, et en tenant compte des précautions particulières prédéterminées dans chaque immeuble, évalue le nombre de personnes à évacuer. Le dénombrement proposé est évalué par défaut en se référant à la capacité d accueil maximale. Naturellement, le taux réel d occupation varie selon les saisons, selon l heure, selon le rythme journalier, qui dépendent eux-mêmes de beaucoup d autres facteurs. B. L identification des lieux d accueil et des voies et moyens logistiques d évacuation : Pour les personnes que l on doit évacuer, il faut s assurer des procédures correspondantes, et des modalités de regroupement, de transport et d accueil. Les points de rassemblement sont donc identifiés ainsi que les lieux d accueil, qui sont en nombre limité, mais aux capacités et à l équipement satisfaisants. IL reste ensuite à s assurer que les voies sont dégagées et que les transports sont possibles à l écart des voies menacées par les mêmes avalanches. Le système EMMA Le module cartographique Le module d'information sur les bâtiments Le module de Vulnérabilité Le module d'identification des personnes à évacuer Fig. 3.9 Les modules du système EMMA L architecture et les modules du système EMMA Le système EMMA se présente donc comme un système pour la gestion de l alerte et l organisation de la mise en sécurité des populations. Pour réaliser ces objectifs, quatre modules complémentaires ont été développés(figure 3.9) :

56 3.2 Le système EMMA Couche De présentation Interrogation des données Navigation des données Cartographie du risque avalanche Utilisateurs Accès Aux Données (ADO) Sources de données Wrapper Photos Croquis BD DGI BD Touristiques Wrapper historiques BD cadastrales Wrapper Fig Architecture du système EMMA Mettre à disposition de l utilisateur l ensemble des éléments qui constituent le territoire, lui permettre de sélectionner les couloirs avalanches et de visualiser une description de chacun des couloirs sélectionné : Le module cartographique. Informer les décideurs sur chaque bâtiment du territoire concerné, en rassemblant les informations sur les bâtiments nécessaires à l analyse de la vulnérabilité, et les mesures de mises en sécurité pour chaque bâtiment en fonction du type d avalanche : Le module d information sur les bâtiments. Renseigner sur les impacts historiques des avalanches sur les bâtiments, et les mesures de protection de ces derniers : Le module de Vulnérabilité. Permettre aux décideurs de dénombrer les personnes en danger si les conditions météorologiques favorisent le déclenchement d une avalanche : Le module d identification des personnes à évacuer. Avant de détailler Ces modules, nous présentons l architecture du système L architecture du système EMMA Le système EMMA est un système qui a été conçu pour permettre à plusieurs acteurs de contribuer à la gestion des risques d avalanches, et d accéder aux informations contenues dans le système afin de mieux connaître la vulnérabilité des personnes et des biens. Quatre éléments sont à distinguer dans l architecture (figure 3.10) : Les acteurs ou les utilisateurs, la couche de présentation, la couche d accès aux données, et finalement la couche des données. A. Les utilisateurs : Différentes catégories d acteurs peuvent intervenir dans le système EMMA. Il y a d abord les acteurs qui vont

57 3.2 Le système EMMA renseigner le système en lui fournissant des informations sur le possible déclenchement d une avalanche ; les services RTM apportent, en complément aux spécialistes de la commune, leur expérience des phénomènes, des enquêtes et de la cartographie, avec en particulier les derniers éléments consolidés de la procédure PPR (Plan de Prévention des Risques) en voie d achèvement. Météo France peut contribuer en offrant une prévision à une échelle plus locale à laquelle les phénomènes d avalanches sont pris en compte (figure 3.7). Une seconde catégorie d acteurs consulte les informations afin de décider de l évacuation des personnes en danger, c est le cas des élus et des services de sécurités civiles, qui disposent à travers le système EMMA, d un ensemble d éléments d informations pour connaître la gravité d une avalanche. Le système permet également la consultation de l historique des avalanches. B. Les sources de données : Trois catégories de données sont présentes dans le système EMMA : les données cartographiques (figure 3.11), les données non cartographiques, et les données multimédia. B.1. Les données cartographiques : Fig Les informations gérées par le système EMMA Les contours avalanches Les éléments sur le territoire : Orthophoto, carte IGN au 1/50 000, MNT, Les éléments sur les enjeux : le plan des parcelles et bâtiments B.2. Les données non cartographiques : Des fichiers descriptifs des avalanches et leur historique Une base de données descriptive des bâtiments et de leur vulnérabilité (voir Section ) B.3. Les données multimédia : Un ensemble de données images est utilisé dans le système, une partie pour la description des bâtiments, et une autre catégorie pour décrire les parties des bâtiments menacées directement par les avalanches

58 3.2 Le système EMMA Fig L interface graphique pour affichage des éléments du territoire Le module cartographique Pour mieux gérer un risque naturel, on a souvent besoin de connaître avec précision les éléments qui constituent le territoire. Le système gère un ensemble d éléments qui décrivent la zone d intérêt et les affiche pour renseigner l utilisateur sur le territoire. Plusieurs informations sont intégrées comme un fond cartographique : Le plan cadastral de la direction générale des impôts (DGI), la carte IGN au 1/50 000, une orthophoto de la zone, etc. Le système permet également de visualiser et de sélectionner les couloirs avalanches, et d afficher pour chaque couloir d avalanche sélectionné une description détaillée sur l historique de l avalanche, ses impacts, et ses occurrences (figure 3.12) Le module d information sur les bâtiments Les bâtiments sont les éléments les plus importants à décrire avec plus de précision. Aucune source disponible n offre à elle seule toutes les informations nécessaires pour les décrire. Des problèmes d hétérogénéité dont il faut tenir compte, subsistent. Les principales sources d hétérogénéité rencontrées dans ce cas sont : une discordance de type : par exemple, une même donnée peut être de type numérique dans une source, et de type caractère dans une autre ; dans une source, un attribut peut être mono-valué, et multi-valué dans d autres. une hétérogénéité de définitions, avec une différence de formats (date par exemple), et d unités

59 3.2 Le système EMMA (a) Interface d informations sur les bâtiments (b) Affichage de l historique des avalanches Fig Interfaces d affichage du système EMMA l existence d informations incomplètes, de synonymes, d homonymes, d erreurs de saisies. des périodes de mises à jour des données différentes d une source à une autre. une différence dans les modes projections et les représentations géométriques des objets géométriques : le même élément géographique peut être modélisé de différentes manières. la diversité des formats propriétaires de données (Mif/Mid, E00, Shapefile par exemple). Dans le présent système, cette diversité a été résolue partiellement en utilisant des traducteurs de formats de données. Ce problème est d autant plus important dans le cas de la gestion des risques naturels, où le décideur a besoin de connaître plusieurs paramètres afin de mieux agir en cas de catastrophe naturelle. Chaque bâtiment doit alors être décrit en terme de sa population, de sa structure, des conditions de sa construction, et des mesures de sécurité prise pour le protéger d éventuels avalanches. Les informations disponibles dans ce module peuvent être regroupées dans les catégories suivantes (figures 3.13(a) et 3.14) : des informations pour l identification du bâtiment des informations de mise à jour des informations sur les personnes relais des informations sur les personnes correspondants le choix de mise en sécurité en fonction de la gravité de l avalanche des images annotées décrivant les bâtiments Ce module a été complété en ajoutant les données en provenance de la base de données des propriétés bâties et non bâties de la DGI, décrivant avec plus de détails les informations sur la nature de la construction et les éléments constitutifs de chaque bâtiment. Le système permet de visualiser ces informations et de les relier avec les autres informations existantes dans le système (les contours d avalanches)

60 3.2 Le système EMMA Fig Le schéma de la base de données sur les bâtiments Le module d information sur les avalanches Ce module renseigne sur l historique des avalanches qui ont touché la commune (figure 3.13(b)). Il permet à l utilisateur d accéder à un ensemble important d informations (textes, images, etc) sur les avalanches, et leurs impacts de référence sur le bâtiment en se basant sur les informations recueillies du Plan de Prévention de Risques. L accès aux informations sur les avalanches est assuré par une sélection directe sur l écran des couloirs d avalanches, par un affichage textuel des informations sur le secteur touché, par une présentation en texte libre de l avalanche, de son historique, des protections existantes, et finalement les phénomènes de références. Des images sur les avalanches peuvent également être accédées. Ces informations descriptives en texte libre sur les avalanches, posent le problème de la confusion sémantique, par la présence de termes hétérogènes, puisque les relations sémantiques entre ces concepts ne sont pas renseignées dans le système. Une structuration de ces termes ainsi que leurs relations est proposée dans une approche basée sur l ontologie dans la suite du document (Section 4.4) Le module de Vulnérabilité Pour évaluer l interaction entre le phénomène et les éléments exposés (les bâtiments dans notre cas), on se réfère à la notion de la vulnérabilité. Cette vulnérabilité a de nombreuses composantes : économiques (les mieux appréhendées), mais aussi structurelles, sociales, culturelles, etc

61 3.2 Le système EMMA Fig Affichage des informations sur les avalanches qui touchent le bâtiment sélectionné Ce module (figure 3.15) décrit quatre catégories d informations nécessaires pour évaluer la vulnérabilité des bâtiments : Une estimation de l impact de l avalanche de référence sur le bâtiment : Cette partie permet d abord d attribuer à chaque bâtiment l ensemble des avalanches connues susceptibles de le toucher. Pour chaque avalanche, l utilisateur peut accéder aux informations relatives à l historique de l avalanche et aux impacts de l avalanche sur le bâtiment. D autres paramètres s ajoutent pour décrire la réduction ou l aggravation du risque d avalanche en fonction du rôle écran ou réflecteur du bâtiment. Les protections individuelles et apparentes du bâtiment : Cette partie décrit une liste des mesures réglementaires paravalanches d ordre individuel et facilement observables. Ces mesures sont décrites pour les façades du bâtiment directement exposées, et les façades latérales exposées. La conformité du bâtiment est renseignée pour chacune de ces façades. L exposition du bâtiment et des abords à l avalanche de référence : Quatre expositions, avec une valeur de forte, moyenne, faible, et négligeable, sont décrites dans cette partie : 1. Exposition à l intérieur du bâtiment 2. Exposition devant les entrées du bâtiment 3. Expositions des abords fonctionnels 4. Expositions des accès jusqu aux plus proches habitations. Des images annotées : décrivant les parties du bâtiment susceptibles d être touchées par l avalanche de référence L impact de l avalanche sur l objet bâtiment est une relation complexe qui dépend à la fois des caractéristiques de l avalanche et de la sous partie du bâtiment qui est concernée. Une proposition de la modélisation de cette relation est données dans la section 4.4 consacrée à la proposition d une ontologie pour les risques naturels

62 3.2 Le système EMMA Le module d estimation pour l évacuation des personnes en danger Ce module permet de calculer le nombre de personnes à évacuer, et qui sont menacées par une avalanche sélectionnée (Voir algorithme 1). Il reste ensuite à déclencher les opérations correspondantes. Algorithme 1 Estimation des personnes à évacuer suite à une alerte d avalanche 1: NPE=0 {Intialiser le nombre de personnes à évacuer} 2: NI=0 {Intialiser le nombre d immeubles} 3: Sélectionner le contour d avalanche concerné 4: for all Immeuble do 5: Vérifier si il est touché par le contour d avalanche sélectionné {En réalisant des tests d intersections entre le contour de l avalanche et la géométrie de l immeuble en cours} 6: if Immeuble.Géométrie Avalanche.Géométrie Ø then 7: Immeuble=Touché 8: NI NI + 1 9: NP E NP E + Immeuble.NombreHabitant 10: end if 11: end for Conclusion Le système EMMA est un système destiné à la gestion de la sécurité des personnes soumises à un risque d avalanche en cas de circonstances météorologiques dangereuses en station de sports d hiver. Plus qu un plan de secours classique, le système offre des fonctionnalités de structuration et de traitement en temps réel de paramètres complexes et évolutifs représentatifs de l occupation des lieux, de l extension et des caractéristiques des phénomènes, et enfin des logistiques de mise en sécurité. Il permet aussi de simuler divers scénarios évènementiels et d affiner la préparation des acteurs face à ces scénarios. Plusieurs extensions peuvent être étudiées pour améliorer les fonctionnalités du système. Nous exposons ici quelques unes qui nous paraissent importantes : Introduction de paramètres temporels de fréquentation : La notion temporelle est très importante puisque les décisions à prendre en terme d évacuation dépendent de l occupation des personnes (le rythme biologique) au moment de la prise de décision. Prise en compte d autres risques naturels : Le système créé peut facilement être généralisé à l ensemble des risques naturels et technologiques qui menacent une commune. Ceci est possible en rajoutant les couches d informations relatives à ces risques, et en redéfinissant la vulnérabilité des bâtiments en fonction du risque. Intégrer d autres sources existantes sur les bâtiments : D autres sources de données peuvent être intéressantes, notamment en ce qui concerne les informations sur les bâtiments et leur vulnérabilité (DGI, BD IGN, etc). La source de la DGI (Fichier des propriétés bâties et non bâties) contient un ensemble d informations précieuses sur la vulnérabilité des bâtiments (voir annexe A.1) ; l intégration de ces informations entraîne néanmoins un certain nombre de contraintes, puisque l unité décrite par cette source est le local, une notion qui est différente du bâtiment. Une étape de préparation des données et de consolidation est nécessaire afin d intégrer cette source dans le système. L hétérogénéité des structures de données complique la conception de ce type de système. Il existe des données fortement structurées dans des bases

63 3.2 Le système EMMA de données (BD Carto 9 de l IGN), mais également de nombreuses autres informations non structurées (photos, témoignages d habitants, croquis, etc). Par ailleurs, d autres données sont stockées sur support informatique depuis des années, sous une forme difficilement exploitable en l état. Un retraitement de ces données s avère alors nécessaire pour une meilleure exploitation du contenu. Les tests de stabilité : Ils apportent des données qui pourraient s avérer très intéressantes pour un modèle de prévision locale des avalanches. Ces données présentent en effet de nombreux avantages : elles constituent une synthèse très concise de nombreux paramètres nivologiques, et sont faciles à stocker et à manipuler par un système informatique. Elles se prêtent à de nombreux traitements numériques, y compris au calcul statistique, et surtout, elles équivalent presque à un diagnostic. L information fournie par un test de stabilité semble donc très intéressante, au moins pour conforter les diagnostics élaborés par un modèle. Outre la diversité des données, le développement d une nouvelle application sur les risques naturels nécessite généralement la prise en compte de nombreux autres paramètres que sont les acteurs et leurs besoins, ainsi que les éventuels outils logiciels préexistants. D où le besoin d un système global capable de répondre aux besoins des différents acteurs, dans le cadre d une plate-forme unique, en leur donnant accès à toutes les informations et les connaissances nécessaires, et en respectant la spécificité de chacun des acteurs. 9 Base de données cartographiques de l IGN

64 3.3 Le système SysPPR 3.3 Le système SysPPR Introduction Près d une commune française sur deux est susceptible d être affectée par des risques naturels. La fréquence des catastrophes survenues depuis les inondations de l été 1992 et le constat d un accroissement de la vulnérabilité en dépit de la mise en place de dispositifs réglementaires successifs ont conduit les pouvoirs publics à renforcer la politique de prévention des risques naturels. Un des outils mis à disposition des décideurs est celui du Plan de Prévention des Risques (PPR). A la faveur de la réalisation d un Plan de Prévention des Risques naturels sur la commune, nous avons développé un système communal de gestion des risques qui permet, au-delà des affichages traditionnels, de donner aux divers acteurs de la prévention les moyens de gestion et d appropriation autour des phénomènes pressentis et de leurs conséquences prévisibles en matière de dommages, dysfonctionnements et préjudices. Tout en permettant l affichage requis par les règles administratives de présentation du PPR, le système couvre les besoins du DICRIM 10 et du Plan Municipal de Secours. Facile à maîtriser pour ses divers utilisateurs potentiels comme l administration, les collectivités et même, sous certaines conditions, la population concernée, le système permet aussi des actualisations aussi fréquentes que nécessaires des données et de leurs interprétations en terme de gestion (figure 3.16). <<extend>> La représentation cartographique du territoire <<communicate>> La vision 3D du territoire <<communicate>> L'aide à l'identification des aléas <<communicate>> <<communicate>> <<communicate>> Analyse morphologique du territoire Information sur l'occupation du sol et du sous-sol <<communicate>> Gestionnaire du risque La caractérisation des enjeux et de leur vulnérabilité <<extend>> L'évaluation quantifiée des pertes et préjudices Citoyen La communication et l'information Le maire Fig Les cas d utilisation du système PPR 10 Dossier d Information Communal sur les RIsques Majeurs

65 3.3 Le système SysPPR L approche traditionnelle d un Plan de Prévention multirisques Pour mettre en œuvre l approche traditionnelle et réglementaire de ce type d études, il faut naturellement analyser tous les événements passés et en comprendre les causes, prendre en compte tous les éléments physiques du territoire, et essayer de discerner la localisation et les conditions d occurrence des principaux types de phénomènes pressentis. Tout cela aboutit à ce que l on appelle aujourd hui la carte d aléa. Il faut simultanément rendre compte de la répartition spatiale des biens, activités et personnes susceptibles de subir des dommages, des dysfonctionnements ou des préjudices si l événement redouté vient à se produire. Ces éléments sont réunis sous le terme d enjeux ou éléments exposés. Il faut enfin porter un pronostic sur la vulnérabilité de chacun de ces enjeux face aux diverses formes de manifestation et de localisation des phénomènes. Ce sont des tâches extrêmement complexes que l on a en général tendance à simplifier abusivement d autant que les moyens et les délais disponibles pour de telles études sont le plus souvent très modestes. De plus, et en dépit des conséquences administratives et juridiques extrêmement contraignantes de tels documents, les arguments ne sont que très rarement et très insuffisamment explicités, donc difficilement révisables ou discutables par les collectivités concernées. Ces difficultés expliquent la lenteur de mise en œuvre de ces procédures et la perplexité et l inquiétude des maires devant leurs responsabilités en la matière et, par exemple, devant les nouvelles tâches qui leur incombent, notamment en ce qui concerne les DICRIM et les Plans Municipaux de Secours. SysPPR a essayé d apporter un début de solution à une partie de ces problèmes. Ce système est articulé autour de cinq fonctionalités : la structuration des données disponibles, l aide à l identification des aléas, la caractérisation (typologie, répartition spatiale et temporelle) des enjeux et de leur vulnérabilité, l évaluation quantifiée des pertes et préjudices, la communication et l information Présentation du système SysPPR La figure 3.17 présente les différents composants du système SysPPR Les utilisateurs Le système SysPPR est un système communal de gestion des risques qui permet, au-delà des affichages traditionnels, de donner aux divers acteurs de la prévention les moyens de gestion et d appropriation autour des phénomènes pressentis et de leurs conséquences prévisibles en matière de dommages, dysfonctionnements et préjudices. Ces acteurs sont principalement l administration, les collectivités et la population concernée la structuration des données disponibles A. Les représentations cartographiques du territoire Si le support des PPR reste trop souvent la carte IGN à 1/25.000ème, son expression réglementaire devrait se faire sur fond cadastral. Même si toutes les communes ne bénéficient pas encore du cadastre numérisé, il est assez facile de géoréférencer, au moins approximativement les fonds cadastraux papier et d y reporter le zonage issu de la démarche. Au fond IGN, peuvent s ajouter d autres sources géographiques utiles pour l appréhension du territoire (figure 3.18 ) : le cadastre numérisé, la carte géologique, l orthophoto, et d autres cartes de la région à condition de les géoréferencer avant de les utiliser dans le système

66 3.3 Le syste me SysPPR Évaluation Cartographie de l aléa Données et traitements Analyse 3D du territoire Gestionnaire du risque Éléments exposés Cartographie des éléments exposés Évaluation de la vulnérabilité () Administrateur Identification IRIS Phénomènes Territoire Évaluation des pertes et préjudices Visualisation de l aléa +, () * BD DGI historiques BD cadastrales Photos $ %$ & ''!"# Croquis Fig Architecture du syste me PPR B. La vision 3D du territoire et l analyse morphologique : La vision 3D du territoire n est ge ne ralement consentie qu au ge ologue ou au ge omorphologue dans son travail de pre paration ou de synthe se finale. L utilisation de la photogramme trie est donc primordiale pour une scrutation pre cise du territoire, le recueil et la localisation d informations pre cieuses. Cela permet tout aussi bien, et toujours en relief, de montrer les limites d une zone dangereuse et de s assurer de leur bonne perception par les personnes concerne es. Il est e galement possible de faire partager une vision de la tridimensionnalite du paysage avec des pseudo-images obtenues en drapant une orthophoto sur un mode le nume rique de terrain, mais cela ne constitue qu un artifice de communication. C. L occupation et l utilisation du sol et du sous-sol : L occupation du sol et son utilisation sont renseigne es dans les bases de donne es traditionnelles classiques de type DGI11, SIRENE12 ou INSEE13. De s lors que la commune posse de un cadastre nume rise, il est possible d acce der a ces donne es pour les traiter a diverses fins. D. Les donne es multime dia : Naturellement, toutes les images, voire sessions vide o, disponibles sur le territoire communal peuvent e tre accessibles a partir de leur localisation spatiale, et re ciproquement. Ainsi on peut acce der par exemple a la photographie d un immeuble pour mettre en e vidence sa vulne rabilite a telle ou telle 11 Direction Ge ne rale des Impo ts base de donne es des entreprises et des e tablissements 13 Institut National de la Statistique et des e tudes e conomiques 12 La

67 3.3 Le système SysPPR Fig Un extrait des données gérées par SysPPR sollicitation. Le système permet d accéder à un ensemble de documents multimédia (notamment des documents images) décrivant l historique des phénomènes naturels touchant le territoire concerné. E. La sélection et l intégration des divers documents pertinents : Au-delà de l affichage des images disponibles, le système permet la recherche de tous les documents pertinents vis-à-vis de la problématique de prévention des risques. Ceux-ci peuvent être des articles, rapports, publications traitant d événements passés, des règlements, une jurisprudence, des recommandations, et même des documents sur la connaissance scientifique et technique des phénomènes. Tous les documents sont alors affichables, à partir de menus, dans une fenêtre du système. Ils sont traités en hyper-documentation l aide à l identification des aléas Lorsque l on cherche à identifier sur un territoire donné les zones où sont susceptibles de se produire des phénomènes dangereux (aléas), il convient de rechercher d abord les facteurs de prédisposition et de discerner les zones où ces facteurs se conjuguent pour qu il y ait forte présomption de voir se manifester un tel phénomène, puis, de surveiller les facteurs aggravants ou déclenchants qui permettront cette manifestation (figure 3.19). Ceci est réalisable en utilisant un certain nombre d outils et de traitements qui permettent d opérer une présélection des zones de présomption pour chaque catégorie de phénomènes (voir la Section suivante pour le module IRIS par exemple ). A. IRIS : Indice Régionalisé de présomption d InStabilité Le module IRIS a été développé pour le traitement de l instabilité des pentes ou la propagation des écroulements rocheux. Il ne s agit toutefois que de pré-sélections qui doivent faire l objet de vérifications sur le terrain. le module IRIS calcule un indice d instabilité prenant en compte la pente, l épaisseur pressentie de matériaux meubles et les caractéristiques prévisibles de ces matériaux, ainsi que d éventuelles variations du niveau de l eau dans les terrains concernés ou une accélération sismique pseudo statique. Il permet de produire un modèle numérique régionalisé de cet indice à partir duquel on peut tracer des cartes en sélectionnant des seuils

68 3.3 Le système SysPPR Fig Affichage des zones menacées par les inondations et les mouvements de terrain Les calculs effectués par ce module sont réalisés à partir de couches d informations spatiales, principalement de type raster, comme le modèle des pentes extrait à partir de modèle numérique de terrain. Les informations sur les pentes sont combinées avec les informations sur le niveau d eau et la géologie, par des calculs géométriques et des intersections spatiales, pour fournir la distribution spatiale de la valeur de l indice de l instabilité. La nature des données et la complexité des calculs font que cette opération est très coûteuse en termes de temps et de ressources. À Megève, par exemple, ces traitements ont été utilisés pour déterminer, parcelle par parcelle, un indice d instabilité ou un indice d exposition à des chutes de blocs. Les figures dans 3.20(a) et 3.20(b) montrent comment, en sélectionnant une parcelle, le système permet d afficher automatiquement l indice calculé, puis de traduire la variation territoriale de cet indice, sous forme de classe, par affectation de couleur aux parcelles La caractérisation des éléments exposés et de leur vulnérabilité Dès lors que l on maîtrise la délimitation cadastrale des parcelles et que l on se donne les moyens d accéder aux principales bases de données déjà citées, on peut trouver dans ces bases des éléments intéressants pour la caractérisation des enjeux (type de construction, type d utilisation, éléments de valeur, éléments de population...). On y trouve aussi d autres renseignements révélateurs de la vulnérabilité à une sollicitation donnée (état d entretien, année de construction, murs porteurs, toits...). Cela permet une analyse fine de la typologie des enjeux, et, à

69 3.3 Le système SysPPR (a) Sélection d une parcelle et affichage de l indice de présomption d instabilité correspondant (b) Sélection d une échelle de couleurs et affichage des classes d indice sur le territoire Fig Exemples d applications de l indice IRIS dans le système SysPPR condition de bénéficier de l expérience nécessaire, la création de fonctions de vulnérabilité associant à chaque type d élément en jeu un degré d endommagement, de dysfonctionnement ou de préjudice dépendant de la sollicitation apportée par le phénomène redouté L évaluation quantifiée des pertes et préjudices Une fois établies les fonctionalités ainsi décrites, on peut, pour une extension et un mode de manifestation d un phénomène naturel dangereux, établir la liste de toutes les parcelles menacées, évaluer parcelle par parcelle le niveau de dommage prévisible, ensuite, en traitant les éléments de valeur, économiques ou non économiques des enjeux concernés, établir un bilan consolidé des pertes potentielles sur la zone touchée (figure 3.21 ) La communication et l information Le système constitue un moyen efficace d expliquer la démarche d analyse territoriale, d en justifier les conclusions et de faciliter l information des populations concernées. Au-delà de la présentation devant un conseil, le système est un outil de communication et d information vis-à-vis des populations exposées, même s il faut éventuellement lui faire subir quelques adaptations ou simplifications Bilan et perspectives De très nombreux plans de prévention des risques naturels ont été établis en France depuis une vingtaine d années. En dépit des efforts consentis par leurs instructeurs, ils souffrent de plusieurs insuffisances. Établis avec des moyens insuffisants, ils se traduisent par un zonage du territoire et des réglementations souvent trop peu explicites, mal adaptées, contraignantes est assez peu efficaces quant à l appropriation du risque par les populations concernées. SysPPR a voulu dépasser cette vision simpliste du Plan de Prévention des Risques pour montrer comment, grâce à une certaine maîtrise de moyens modernes informatiques, on pouvait dépasser le stade de la simple expression

70 3.3 Le système SysPPR Fig Bilan des éléments de valeur affectés pour une zone d aléa définie cartographique, pour construire de véritables systèmes d aide à l analyse territoriale, à la prise de décision, et même à l élaboration de plans de prévention et de secours communaux. Puisque les plans de prévention des risques sont construits sur la base d une concertation entre pouvoirs publics, élus, riverains, et autres composantes concernées de la société ; l absence d un vocabulaire commun est souvent considéré comme un obstacle pour la coordination entre ces différents acteurs. En effet, les champs d expertises des acteurs concernés sont particulièrement divers : scientifiques, géologues, hydrauliciens, élus, urbanistes, aménagistes, etc. Chaque expert utilise un vocabulaire particulier (une terminologie précise commune n existe pas). Il n y a pas de règle pour aider à utiliser un terme. Toutes ces raisons entraînent le besoin d une terminologie consistante, complète, et unifiée, qui peut être utilisée dans des applications relevant de la gestion des risques naturels. La construction d une ontologie est donc un élément clé pour une structuration sémantique des informations hétérogènes portant sur le domaine des risques naturels. Elle permet une spécification commune et formelle des concepts du domaine. Une ontologie est caractérisée non seulement par la spécificité du domaine et les besoins applicatifs, mais aussi par sa richesse d expressivité allant d un simple vocabulaire, jusqu à de véritables bases de connaissances, en passant par un thésaurus

71 3.4 Le système GéoInfo 3.4 Le système GéoInfo Introduction L utilisation de l outil informatique dans le cadre des études géotechniques s est généralisée au cours des dernières décennies, comme dans tous les domaines de l ingénierie. Elle a permis d automatiser un grand nombre d opérations élémentaires effectuées par l ingénieur au cours de l étude géotechnique : la génération automatique de feuilles de sondages, l analyse statistique d un jeu de données ou le calcul d une fondation en sont des exemples. Ces tâches élémentaires sont toutefois réalisées indépendamment les unes des autres à l aide d outils informatiques indépendants les uns des autres et ne reconnaissant pas les mêmes formats de données. Divers systèmes de cartographie géotechnique ont été développés depuis une trentaine d années, mais avec un succès limité. Une partie des difficultés vient de la tridimensionnalité du milieu, que la cartographie traditionnelle n arrive pas à représenter convenablement. Une autre difficulté est liée au fait que rien n existe aujourd hui, à quelques rares exceptions, pour traiter les dossiers de récolement 14 des ouvrages. Il n existe enfin que très peu ou pas de logiciels adaptés à la description géotechnique du sous-sol, même si des modèles géologiques tridimensionnels performants issus des méthodes minières ou pétrolières sont quelquefois proposés. De plus, à coté de la description et de la localisation spatiale des ouvrages et sondages, il faut structurer et rendre disponible l expérience du passé. Cela concerne la mémoire des événements dommageables ou celle des aménagements anciens plus ou moins disparus aujourd hui. Cela concerne aussi l aide à la gestion des risques d origine naturelle ou anthropique, au moins pour la part qui relève de la géotechnique ou de l hydrologie. Nous donnons ci-dessous un bref aperçu sur les éléments de la description géotechnique du sous-sol La description géotechnique du sous-sol Dans beaucoup de villes toutefois, on a une vision d ensemble relativement bonne, même si elle reste très imprécise, de la répartition spatiale des diverses couches du sous-sol. Rien n empêche de faire des hypothèses et des interpolations entre points connus pourvu que ces hypothèses et les méthodes d interpolation soient clairement explicitées, aisément révisables et que l on maîtrise bien la variabilité des résultats quand on modifie les hypothèses. Tout cela est parfaitement possible aujourd hui à condition de se doter d outils de gestion simples pour le faire. De nombreux traitements spatiaux peuvent être appliqués aux résultats des reconnaissances géotechniques. Ces traitements peuvent être utilisés pour assister à la production des coupes géologiques géoréférencées. Ainsi, les paramètres géotechniques issus de l exploration de la surface ou du sous-sol peuvent être géoréférencés avec un MNT 15 pour fournir des coupes géologiques et des strates géologiques 2D ou 3D. Un autre exemple est celui de l application de modèles d interpolation afin d identifier la structure du sous-sol dans des zones non couvertes par les mesures. L intérêt d utiliser un système d information à référence spatiale pour gérer les données géotechniques peut être résumé dans les points suivants : assurer une bonne gestion du déroulement des travaux géotechniques en vérifiant en continu la disponibilité de l information, en suggérant de nouvelles compagnes à entreprendre pour répondre aux besoins de l étude. combiner et superposer les couches d informations pour évaluer l adéquation des paramètres critiques et la compatibilité des sites ou des alternatives proposés. et assigner des valeurs quantitatives tel que quantifier la fiabilité et l incertitude pour des applications spécifiques de conception. 14 Le récolement, à ne pas confondre avec recollement, est une opération qui consiste à vérifier des objets contenus dans un inventaire ou une saisie. Dans le cadre de l aménagement urbain il s inscrit comme l une des actions de construction d un ouvrage. 15 Modèle Numérique de Terrain

72 3.4 Le système GéoInfo L information géotechnique L information géotechnique est indispensable pour les études d aménagement et pour la compréhension des risques naturels, comme les mouvements de terrain, qui sont liés à la géologie et la structure du sous sol. Les agences locales et nationales, les universités, et les entreprises ont besoin de cette information pour une multitude d applications d ingénierie civile et d aménagements urbains, comme la cartographie des risques naturels. Les données utilisées et produites par les études géotechniques sont de nature très variée. On y trouve des rapports papiers (voir figure 3.22 pour un log 16 de sondage), des cartes, des photographies aériennes, etc. L intégration de ces données, en vue de réaliser les analyses et les interprétations nécessaires, avec des photos, des notes, des forages, et d autres données spécifiques nécessite un effort considérable durant la réalisation de l étude. Fig Exemple de log de sondage Une des principales sources d information géotechniques est le sondage géotechnique. Les sondages géotechniques sont des forages verticaux effectués dans le sol dans le but d obtenir des échantillons du sol, et pour déterminer les matériaux de la roche, la stratigraphie, les conditions d eau souterraine et les propriétés du sol. 16 On désigne par le terme log tout enregistrement continu des variations, en fonction de la profondeur, d une caractéristique donnée des formations traversées par un sondage (Encyclopédie Unversalis)

73 3.4 Le système GéoInfo Bien que les opérations de forage soient assez coûteuses, le sondage reste le moyen le plus populaire pour obtenir des informations du sous sol. Ce type de données varie du log de sondage basique contenant un rapport d inspection visuel du sol, aux sondages composites les plus sophistiqués combinant le rapport visuel et les tests in-situ, les tests géotechniques de laboratoire, et les tests géophysiques. Un volume énorme de données géotechniques est donc généré annuellement à partir des projets d ingénierie. Les données et les résultats des sondages sont publiés sous formes de rapports papiers, sans les données numériques produites sur le terrain. Naturellement, le partage des données sous forme de rapport papier traditionnel est lent. Traitements des données <<extend>> Commander un sondage <<extend>> <<extend>> Exportation des données Géotechnicien Saisie des données <<extend>> <<extend>> <<extend>> <<extend>> Importation des données Chef de chantier Visualisation des données Interpolation des paramètres Impression des logs de sondages <<communicate>> <<communicate>> Getsionnaire du risque Cartographie des informations géotechniques Fig Les cas d utilisation du système GéoInfo Les données géotechniques sont complexes puisque elles contiennent des éléments structurés (description du sol à partir d un vocabulaire bien défini) et d autres moins structurés (images, texte libre). Actuellement, il n y a pas encore un format commun accepté pour le stockage et l échange de ces données entre les praticiens et les chercheurs. Parmi les formats utilisés, on trouve le format de L «Association of Geotechnical and Geoenvironmental Specialists» [4], le Log ASCII standard [60] pour les sondages de compagnies pétrolières, et le format de «National Geotechnical Experimental Site» [11]. Un autre projet de recherche est initié par Le «US Army Engineer Waterways Experiment Station» [116] pour établir un format électronique standard d échange pour l exploration géologique et géotechnique, et pour automatiser l échange des données. De même, le «Pacific Earthquake Engineering Research Center à Berkeley» (PEER) et le «Consortium of Organizations Strong Motion Observation Systems» (COSMOS) ont initié un projet pour créer un dictionnaire de données géotechniques et un format d échange spécialement pour les données géotechniques [117] Présentation du système GéoInfo L étude géotechnique menée pour des besoins d aménagement constitue un processus complexe dont deux caractéristiques essentielles sont : son organisation propre en phases et son interaction étroite avec d autres processus

74 3.4 Le système GéoInfo (en particulier le processus de conception de l aménagement). Les données participant à une étude, qu elles soient descriptives, ou quantitatives, constituent également une caractéristique particulière des études géotechniques. Leur compréhension nécessitent la mise en oeuvre de techniques variées, allant de l analyse graphique aux traitements des données en passant par l application des connaissances des différentes branches de la géologie. Le système GéoInfo constitue une plate-forme informatique permettant de rassembler les différentes données participant à une étude géotechnique au sein d un environnement unique et intégrant différentes techniques utilisées par l ingénieur dans le cadre des études géotechniques courantes [9]. Ces fonctionnalités à vocation d analyse et de synthèse doivent en outre être replacées dans le cadre général de l étude géotechnique par la prise en compte, par le système, des étapes du processus d étude ainsi que de son interaction avec le processus de conception de l aménagement. Enfin, cet outil devrait participer, en offrant des fonctionnalités de base de données, à une meilleure pérennisation des données géotechniques (figure 3.23). Investigation Géotechniques Saisie des données BD Lithologie Sondages Assistant Import De données BD Stratigraphie Visualisation des données Des sondages Affiche des couches Du sous-sols Essais et analyses Fichier Appareils Essai1 Date: 12/02/ Nettoyage BD GéoInfo Interrogation des données Interpolation des Données Cartes de Bases Réseaux Routiers, Bâtiments Parcelles Géologie Hydrographie. Cartographie des sondages Analyse des risques géologiques Données Présentation des données Analyse des données Fig Architecture de GéoInfo L architecture de GéoInfo Le système GéoInfo a été conçu pour permettre à plusieurs utilisateurs d y accéder en même temps selon une architecture client/serveur. Les données sont stockées et gérées comme des structures relationnelles, et l implémentation est réalisée en programmation orientée objet en utilisant le langage Visual C++ et les classes de l interface

75 3.4 Le système GéoInfo d accès aux données ADO 17. Quatre éléments sont à distinguer dans l architecture du système GéoInfo (figure 3.24 ) : Les acteurs ou les utilisateurs, la couche de présentation, la couche d accès aux données, et finalement la couche des données Les utilisateurs Fig Le diagramme d activité de GéoInfo Plusieurs acteurs peuvent utiliser GéoInfo. Le système a été initialement conçu pour répondre aux besoins des géotechniciens afin de structurer leurs mesures de sous sols. Toutefois, le système peut être également utilisé par d autres utilisateurs, comme des décideurs et des dirigeants, qui souhaitent connaître plus en détails la composition du sous sol de leur territoire. C est le cas par exemple, pour les aménageurs qui souhaitent connaître la structure du sous sol avant d entamer un projet d aménagement, ou bien d un gestionnaire qui veut mener une étude sur le risque de glissement de terrain dans sa commune, et qui a besoin des informations sur le sous sol (figure 3.25). 17 Activex Data Objects

76 & 3.4 Le système GéoInfo % % " )* (, # + $! " ' (! $ # " Fig Hiérarchie des données dans GéoInfo Les Modules de GéoInfo Le système GéoInfo dans son ensemble est constitué de quatre modules complémentaires. Deux modules ont été prévu pour la saisie des données dans le système. Ils permettent de rentrer les données soit en les saisissant, soit en les important à partir de fichiers produits directement des appareils de sondages. Un autre module est celui de la visualisation cartographique, qui permet de localiser sur un fond cartographique (carte au 1/50 000, ou orthophoto par exemple) les sondages qui ont été saisis. Le dernier module est celui de la visualisation et l impression des logs de sondages. A. Le module de saisie des données géotechniques Pour la saisie des données dans le système, deux options sont disponibles pour l utilisateur : compléter une base de données GéoInfo existante, ou créer une nouvelle base de données. Le choix entre ces deux options dépend du projet dans lequel l utilisateur veut associer ses données. L interface de saisie est organisée sous forme de plusieurs onglets, chaque onglet est chargé de décrire une partie des informations. Les données traitées par GéoInfo peuvent être réparties en trois principales catégories : Les données administratives : Dans chaque projet géotechnique, une partie de données est utilisée pour décrire les informations administratives. La description des travaux géotechniques passe par une description des informations sur le projet, qui est lui même constitué de plusieurs dossiers, qui à leur tour peuvent contenir des points d investigation (figure 3.26 ). Les données techniques : Les données techniques représentent la partie principale d informations gérées par le système. Elles peuvent être classées en cinq catégories : les données sur les échantillons, sur les sondages, sur les essais in situs, sur les techniques d exécution, et les données sur les équipements. GéoInfo assure un affichage par onglets qui s adapte en fonction du type de sondage sélectionné, en cachant les parties d informations non nécessaires à l utilisateur, en lui évitant ainsi un encombrement inutile des données (figures 3.27 et 3.26). Les données images : Dans les compagnes géotechniques, les images sont souvent des supports incontournables pour décrire des informations sur les sondages. GéoInfo a prévu la gestion de ce type de données en permettant de les stocker, de les attacher à des sondages, de les annoter et de les visualiser

77 3.4 Le système GéoInfo Fig Le diagramme de séquence UML de GéoInfo Les données cartes : Les données à composantes spatiales utilisées pour définir la carte de base (base map) d un projet géotechnique sont : les cartes topographiques, les photographies aériennes (orthophotos numériques), les cartes géologiques, les cartes d occupation du sol, les cartes bathymétriques, les différentes formes de données satellitaires, et le modèle numérique du terrain (MNT). 1. Cartes topographiques. Les cartes topographiques fournissent des informations sur la morphologie du terrain, le réseau du drainage, la pente, les routes, les zones urbaines, etc. (a) L utilisation optimale des cartes topographiques nécessite l examen des cartes à grande et petite échelles. D un coté, certaines caractéristiques, comme les structures géologiques, peuvent être apparentes uniquement sur des cartes à petite échelle. D un autre coté, l interprétation des processus géomorphologiques nécessite l utilisation de cartes à grande échelle avec des petits intervalles de courbes de niveaux. (b) Certaines informations géologiques peuvent être inférées à partir des cartes topographiques par une interprétation propre de la forme du terrain et les caractéristiques du drainage. La topographie peut fournir des informations sur la structure géologique, la composition des roches souterraines, et les processus géomorphiques internes. Les caractéristiques géologiques n apparaissent pas de la même manière sur toutes les cartes topographiques, et des traitements particuliers sont nécessaires pour arriver à une interprétation géologique exacte. L analyse des photographies aériennes avec les cartes topographiques est un moyen efficace pour interpréter la géologie et la géomorphologie d un site. Les informations géotechniques pertinentes qui peuvent être obtenues ou inférées des photographies aériennes et des cartes topographiques sont : l histoire géomorphologique, la structure de la roche, le sol, la physiographie, etc

78 3.4 Le système GéoInfo 2. Cartes géologiques. Elles peuvent être utilisées pour développer la description des formations, les structures rocheuses, la localisation des failles, et la profondeur maximale des roches. Des cartes géologiques de 1/ ou moins sont convenables pour le développement de la géologie régionale, parce qu elles peuvent être utilisées avec des images satellitaires d échelle similaire pour affiner les études géologiques régionales et les études de sol. 3. Cartes hydrologiques et hydrogéologiques. Les cartes montrant les informations hydrologiques et hydrogéologiques fournissent une source intéressante de données sur les surfaces de drainage, la localisation des puits, la qualité des eaux souterraines, etc. 4. Cartes sismiques. Ces cartes peuvent fournir la distribution des zones sismiques et la magnitude potentielle des séismes associée à chaque zone. B. Le module d Import/Export de données Les données géotechniques proviennent, dans un grand nombre de cas, des appareils de sondages qui livrent des fichiers d observations avec des formats et des structures différents (fichier plat, textes, tableurs) selon le type d appareil (voir la figure 3.28 pour un exemple de fichier de mesures géotechniques). Fig Exemple de fichier de mesures géotechniques GéoInfo propose un module (figures 3.29(a) et 3.29(b)) pour intégrer ces fichiers conformément au schéma de la base, de telle sorte qu il n y ait pas de perte de données dans le processus d importation. L assistant d import des données tient compte du type du sondage pour n afficher à l utilisateur que les informations susceptibles d être importées, réduisant ainsi à ce dernier le nombre d incohérences qu il peut rencontrer. A la fin du processus d import des données, l assistant affiche un rapport de l état d execution de la procédure d import (figure 3.29(a)). Le système permet également d exporter les données d une base de données GéoInfo extérieure qui contient des informations supplémentaires vers une autre base de données GéoInfo

79 3.4 Le système GéoInfo (a) Un exemple d import de fichier appareil de la diagraphie (b) L assistant du module d import des données Fig Le module d import des fichiers issus directement des appareils de sondages C. Le module Cartographique La première des relations entre les différentes données participant à une étude géotechnique réside dans leur localisation les unes par rapport aux autres, et le premier outil de travail recherché par le géotechnicien est donc la carte du site, sur laquelle il fait apparaître les différentes données jugées utiles. Les fonctionnalités cartographiques ont en conséquence été placées au centre du système et un onglet spécialisé permet le positionnement sur la carte du site les différentes données participant à l étude. Ce module permet d afficher sur le fond cartographique par exemple la carte IGN référencée, des orthophotos, des plans cadastraux, etc. Des couches d informations peuvent être ajoutées ou supprimées pour être utilisées dans des rapports, et dans de nouvelles cartes avec des échelles différentes. Des labels, des symboles, et des barres d échelles peuvent être ajoutés aux cartes pour fournir une clarté de lecture et pour améliorer la lisibilité des informations présentes sur la carte. L affichage des sondages est assuré par une bibliothèque de symboles conventionnels. Ils peuvent être positionnés sur le fond cartographique avec des tailles adaptées à l échelle de l affichage, ce qui permet d ajouter une information supplémentaire sur le déroulement des travaux en montrant les zones qui sont couvertes par les études et celles qui ne le sont pas. D. Le module de visualisation des logs de sondages Le log est un enregistrement continu des variations, en fonction de la profondeur, d une caractéristique donnée des formations traversées par un sondage. Généralement, sur l enregistrement du log traditionnel sur papier, un nombre d informations est reporté selon un modèle prédéfini pour permettre une clarté dans la lecture des résultats géotechniques (voir figure 3.30). Pour permettre au géotechnicien qui, ayant l habitude de travailler avec des logs de sondages sur support papier (représentés par différentes couches constituant le sous sol), GéoInfo a prévu un module pour visualiser et imprimer les logs de sondages en respectant les normes géotechniques. La figure 3.30 montre un exemple de logs produit par GéoInfo

80 3.4 Le système GéoInfo Fig Exemples de Logs sondages produits par GéoInfo L accès aux données Le système utilise le formalisme objet pour accéder aux entités géotechniques. L accès aux données est assuré à travers l utilisation de la bibliothèque Microsoft d accès aux données ADO. Un ensemble de classes est créé pour traiter les principales opérations d accès aux tables des bases de données (voir figure 3.31). Fig Les classes ADO utilisées dans le système Cette catégorie de classes se charge d organiser l accès aux bases de données du projet (i.e. GéoInfo, Lithologie, et Stratigraphie). Elles s occupent de réaliser les traitements traditionnels d ajouts, de manipulations et de récupérations des données. La plupart des classes sont dotées de méthodes de traitements générales et d autres méthodes spécifiques à chacun des objets d une classe donnée. Des programmes spécifiques ont été développés pour accéder aux trois sources principales du système : La base de données GéoInfo, la base de données de la Lithologique 18, et la base de données de la stratigraphie 19 (figure 18 La lithologie est une discipline qui étudie la nature des roches constituant une formation géologique 19 La stratigraphie est une discipline qui étudie la succession des dépôts sédimentaires organisés en strates. Elle permet d établir une chronologie relative des couches rencontrées qui s exprime sous forme d une échelle des temps géologiques

81 3.4 Le système GéoInfo 3.32). Fig Le diagramme UML de déploiement de GéoInfo Les sources de données Les données non cartographiques sont organisées dans trois bases de données : 1. une base de données principale GéoInfo pour gérer les données des sondages, 2. une base de données pour la gestion de la lithologie (BD-Lithologie) 3. et une base de données pour la stratigraphie (BD-Stratigraphie). Dans la base de données GéoInfo, deux types d informations sont présentes : les informations administratives et les informations techniques (voir figure 3.33). Les données administratives sont composées essentiellement des descriptions des projets, des dossiers et des points d investigations géotechniques. Elles décrivent toutes les informations non techniques renseignant sur les maîtres d oeuvres, les coordonnées du point d investigation, le système de référence utilisé, les coordonnées de l entreprise qui a exécuté les travaux de forage, et l identification du matériel qui a servi pour les travaux

82 3.4 Le système GéoInfo Fig Les Données de GéoInfo Les données techniques à leur tour sont décomposées en des données sur les sondages, des données sur les échantillons, et des essais in situ. Les données sur les sondages sont complétées, selon le type du point d investigation, par d autres types de mesures (des mesures des couches, RQD 20, de récupération, et de fracturation). Chacune de ces mesures peut être complétée par des photos descriptives. La deuxième catégorie des données est celle relative aux échantillons qui décrivent des mesures en profondeur (organisée sous forme d intervalles de profondeurs). En fonction du type de sondage et du point d investigation, le système autorise ou non l accès aux formulaires de saisie des données sur les essais de laboratoires relatifs à un échantillon donné. La conception des différents ouvrages (fondations, talus, soutènement) est influencée par la résistance au cisaillement des terrains. Cette conception doit conduire à éviter les ruptures ou les déformations trop importantes lorsque les ouvrages sont soumis à des charges maximales. Il est donc important de connaître la résistance ultime ou limite des terrains. Cette résistance limite du sol peut être déterminée par des essais de laboratoire. Cinq essais de laboratoires sont prévus dans le système : essai d identification, essai de cisaillement direct, essai de cisaillement alterné, essai triaxial, essai oeudomètrique, et analyse d eau. 20 Rock Quality Designation

83 3.4 Le système GéoInfo La troisième catégorie de données gérée par le système est celle relative aux essais in situ. Les essais in situ permettent de mesurer la perméabilité des terrains. Quatorze essais in situ sont prévus dans le système, et chaque essai comporte un ensemble de mesures en profondeur. D autres mesures comme les techniques d exécution, et le tubage sont également gérées par le système Conclusion La diversité des données collectées et l abondance des informations produites par les compagnes géotechniques est une des raisons principales derrière le besoin de disposer d un système d information, avec une dimension spatiale, pour gérer le volume de données produites, pour pérenniser l information géotechnique dans des supports plus fiables, et pour assister les ingénieurs et les décideurs à mieux connaître le sous sol de leur territoire. Pour répondre à ces préoccupations, GéoInfo vient donc comme un outil d aide à l acquisition, la validation, la structuration et la mise à disposition des données acquises au cours d une campagne de reconnaissance. Il permet la localisation des points d investigation, la mémorisation des coupes, logs, diagraphies, résultats d essais de laboratoires, d investigations géophysiques, et des comptes rendus de contrôle de travaux. Ces fonctionnalités ont été développées pour répondre aux aspirations des praticiens et leur assure une convivialité d utilisation. Le système permet notamment des requêtes sur des critères géographiques, temporels, techniques, et administratifs. De plus, c est un outil pédagogique avec lequel il est possible de faire participer de façon intéressante et conviviale des personnes en formation au traitement et à la mémorisation de données anciennes. Un projet géotechnique traditionnel s intéresse principalement à la caractérisation du sous-sol d un site spécifique et à l interaction entre les structures réalisées par l homme et le territoire. Cependant, les projets multidisciplinaires étendent l intérêt à d autres domaines (e.g., les ponts, la géologie, l environnement). Dans cette perspective, GéoInfo permet à l ingénieur de collecter un nombre important d informations pour résoudre ses problèmes liés à l aménagement. Les informations peuvent être présentées sous de multiples formes (tableaux, graphiques) et l expertise de l ingénieur est utilisée pour synthétiser ces informations et pour prendre des décisions et des recommandations sur le déroulement du projet. L information géotechnique est une information qui peut servir dans une période de temps continu, et non seulement durant la durée de vie du projet. Ainsi, au delà de la période de celui-ci, la connaissance du sous-sol contribue d une manière importante à la diminution des risques géophysiques (séismes, mouvements de terrains, inondations, etc.). En permettant l analyse et la visualisation des données géotechniques en les combinant avec d autres sources de données, GéoInfo permet d alerter les décideurs sur la fragilité et la présomption de leur territoire face aux risques géophysiques qui les menacent. Greffer ce système à d autres systèmes (d évaluation de la vulnérabilité par exemple) est donc nécessaire pour avoir une information appropriée de l acceptation du risque. Discussions sur les systèmes En marge des finalités spécifiques des systèmes, leur réalisation de tels systèmes laisse envisager de nombreuses autres applications de gestion territoriale s appuyant sur la même connaissance du site et des activités qui s y développent (voir les tableaux 3.1, 3.2, et 3.3). Développer un système d information nécessite la prise en compte de nombreux paramètres que sont les données, les acteurs et leurs besoins, ainsi que les éventuels outils logiciels préexistants. La multiplicité et l hétérogénéité des données et des acteurs constituent une des principales difficultés concernant la modélisation dans le domaine des risques naturels. Un volume considérable d informations hétérogènes est à prendre en compte. Cette hétérogénéité tient d une part à la diversité des données telles que les cartes, les règlements, les données sur des événements, les fonds documentaires, etc. D autre part, la nécessité de conserver l historique des données contribue

84 3.4 Le système GéoInfo à accroître le volume de données. Le processus de prise de décision est influencé par la connaissance de tout un contexte historique auquel il est nécessaire d accéder. Pour répondre en partie aux problèmes soulevés par les systèmes ci-dessus, la section suivante présente une architecture globale pour les risques naturels regroupant les principaux aspects rencontrés dans la gestion de ces risques. La diversité des systèmes développés et la difficulté d établir une communication entre eux, font que les solutions existantes sont incomplètes au regard des gestionnaires. Chaque système développé utilise des sources différentes de données, produit des résultats souvent très variés, sur des supports variés, et dans des formats variés. Aucun standard n est imposé dans la production des résultats (cartes dans la plupart des cas). Ce qui rend leur réutilisation dans d autres systèmes quelque peu compliquée. Un travail de retraitement des résultats est nécessaire pour pouvoir les intégrer dans d autres systèmes. L hétérogénéité des données utilisées, à laquelle il faut porter une attention particulière, s ajoute aux difficultés rencontrées dans ces systèmes. Le traitement de la diversité des données, des formats, et de la sémantique des données permet de fournir à l utilisateur final une vue consolidée des sources dont il a besoin. L aspect géographique des données est pris en compte dans ces traitements étant donné que la majorité des sources utilisées dans la gestion des risques sont de nature géographique

85 3.4 Le système GéoInfo Système Caractéristiques Commentaires Insuffisances et extensions - la présentation des données sur le territoire - le module cartographique - production de cartes en temps réel pour diffusion - améliorer la prévision des avalanches en utilisant des modèles de calculs performants - intégrer d autres sources sur les bâtiments DGI, IGN, etc Le système EMMA - la présentation des données sur les couloirs d avalanches - la présentation des données sur les bâtiments et leur vulnérabilité - le système offre des fonctionalités de structuration et de traitement en temps réel des paramètres complexes et évolutifs représentatifs de l occupation des lieux, de l extension des caractéristiques des phénomènes, et enfin des logistiques de mise en sécurité. - dans la procédure de mise en sécurité, le système permet de simuler divers scénarios événementiels et d affiner la préparation des acteurs face à ces scénarios : 1- Le positionnement et le dénombrement des personnes concernées ; 2- L identification des lieux d accueil, des voies et des moyens logistiques d évacuation - le module d information sur les avalanches - le module d information sur les bâtiments - le module de vulnérabilité - les sources des données sont présentes dans de nombreux formats hétérogènes, et représentent les éléments du territoire de différentes manières - le module d estimation pour l évacuation au public - prise en compte d autres risques naturels - le système nécessite une approche d intégration adaptée à la problématique des risques naturels qui permet de résoudre le problème d hétérogénéité des données - une perte d information lors des traductions des fichiers du format propriétaire vers le format de travail -introduction des paramètres temporels de fréquentation ; Tab. 3.1 Récapitulation des fonctionalités et des critiques du système EMMA

86 3.4 Le système GéoInfo Système Caractéristiques Commentaires Insuffisances et extensions - la vision 3D du - la production de cartes territoire et l analyse pour une large diffusion : morphologique internet - les représentations cartographiques du - Utilisation d un vocabulaire commun sur le risque - les données multimédia - la sélection et l intégration des divers documents pertinents - exemple :IRIS indice régionalisé de présomption d instabilité Le système SysPPR - la structuration des données disponibles - l aide à l identification des aléas : - la caractérisation des enjeux et de leur vulnérabilité - la communication et l information territoire - l occupation et l utilisation du territoire - une hétérogénéité des données à résoudre par une méthode d intégration adaptée aux risques naturels - prendre en compte d autres risques dans les modèles d identification des aléas - d autres données peuvent être ajoutées et intégrés au système :IGN, DGI, etc. - utilisation de méthodes adaptées pour la communication du risque : Internet, animation Tab. 3.2 Récapitulation des fonctionalités et des critiques du système SysPPR

87 3.4 Le système GéoInfo Système Caractéristiques Commentaires Insuffisances et extensions - un outil d aide à l acquisition, - le module de saisie - ajouter des interfaces la validation, la structu- ration et la mise à disposition des données acquises au cours d une compagne de reconnaissance de communication directes avec les appareils de sondages pour la récupération des données - intégrer les données produites dans d autres systèmes sur les risques naturels - publier les cartes produites sur Internet Le système GéoInfo - assurer une bonne gestion du déroulement des travaux géotechniques en vérifiant en continu la disponibilité de l information - utiliser des données produites directement des appareils - la localisation des points d investigation, - reproduire des graphiques des résultats des sondages (logs de sondages), l affichage des coupes, logs, diagraphies - gérer les données produites par les compagnes géotechniques - combiner et superposer les couches d informations pour évaluer l adéquation des paramètres critiques -le module Import/Export - le module Cartographique - le module de visualisation des logs de sondages - les données administratives - les données techniques - les données images - les données cartes - intégrer ces couches avec d autres informations pour évaluer certains risques : glissement de terrain par exemple Tab. 3.3 Récapitulation des fonctionalités et des critiques du système GéoInfo

88 Chapitre 4 Architecture d un système d information intégré pour la gestion de risques naturels Sommaire 4.1 Introduction Architecture fonctionnelle Architecture Logicielle Proposition d une ontologie pour les risques naturels Intégration des données : Une méthode basée sur le modèle OpenGIS Conclusion Introduction Les impacts socio-économiques des grandes catastrophes naturelles causées par les inondations, les ouragons, les glissements de terrains, et les tremblements de terre, ont conduit à réfléchir sur l application des nouvelles technologies de l information et de la communication afin d améliorer la réponse et la coordination des efforts face aux risques, notamment dans les grandes villes à forte densité de population. De nombreux systèmes ont été conçus dans le but de réduire l impact des catastrophes [2] [71] [73], mais avec des objectifs bien précis et bien définis comme l information préventive [30] [75], la modélisation des phénomènes [93], l analyse de la vulnérabilité [31] [106], la gestion des secours [30], etc. Ces fragments de systèmes réalisés répondent à des besoins précis, et s attaquent à une phase de la chaîne de prévention, mais pas à la totalité des étapes de gestion de risques (mitigation, préparation, réponse, et le rétablissement selon les étapes définies par la FEMA 1 ). La gestion des risques naturels nécessite la coordination en temps réel de plusieurs acteurs spatialement distribués. Un réseau d information sur les catastrophes semble être la réponse aux exigences de la prévention, qui devrait répondre aux préoccupations des différents acteurs de la gestion des risques (scientifiques, élus, responsables locaux, citoyens). Le système global doit avoir les caractéristiques suivantes (voir figure 4.1) : 1 Federal Emergency Management Agency

89 4.1 Introduction Assurer la surveillance en temps réel de l évolution des phénomènes naturels, en proposant des modules de calculs. Ces modules traduisent les informations brutes recueillies en temps réel en des informations compréhensibles, et réutilisables dans la suite du processus de prévention. Les informations produites sur les phénomènes doivent être confrontées à d autres informations sur les éléments exposés, afin d évaluer le degré de vulnérabilité des éléments du territoire. En plus d alerter les populations sur un risque imminent, il doit également informer les gens sur l historique des phénomènes dans leur région, sur la réglementation relative à l urbanisme, et sur l aménagement. Finalement, les scientifiques ont besoin d accéder aux données sur les phénomènes passés et leurs dommages sur les territoires. Permettre un accès homogène à toutes les sources d information et à tout moment, en remédiant aux problèmes d incohérence et d inconsistance entre les données et leurs inconsistances. Assurer un accès organisé aux nombreux documents disponibles. La gestion des risques nécessite de plus en plus une mise à disposition d information en temps en réel pour les différents acteurs (préfectures, collectivités locales,..). Cette information doit être fiable, complète, compréhensible, réutilisable, partageable et élaborée à partir de différentes sources [18] [62]. Or, les sources de données utilisées sont souvent des sources de données hétérogènes (formats différents, échelles variables d acquisition des données, qualités différentes) [2]. L intégration propre de ces données dans un seul système nécessite une prise en compte de ces paramètres afin que le système ainsi construit ne contienne pas d inconsistances, et donne un accès homogène aux données, en cachant aux utilisateurs les incohérences présentes entre les sources. Une méthodologie d intégration des données pour les risques naturels est donc nécessaire afin de mieux adapter la réalité des données aux besoins exprimés. L intégration doit tenir compte de l ensemble des contraintes relatives à l hétérogénéité des données d une part, et à la complexité de la procédure de gestion des risques d autre part. Les données utilisées ont le plus souvent une composante géographique, d où la nécessité de prendre en compte cette composante dans la phase d intégration en s appuyant sur un modèle de données qui soit suffisamment expressif et extensible. Le modèle retenu est celui de l OpenGIS. L idée est d affranchir l utilisateur de toute contrainte liée à un environnement informatique particulier, et de lui permettre des échanges et des traitements transparents, sans qu il ait à se préoccuper des problèmes de compatibilité. OpenGIS est un modèle ouvert qui fournit un cadre permettant l accès et le traitement d une variété de sources de données à travers une interface générique [88]. La présence d un corpus documentaire sur les risques naturels, relatif aux règlements, aux historiques des phénomènes, à la gestion des procédures d évacuation, etc., nécessite une approche efficace pour leur gestion au sein du système. L utilisation des ontologies peut s avérer être un moyen efficace pour résoudre le problème d hétérogénéité sémantique rencontré souvent dans les documents sur les risques naturels [54] [45] [124]. Une telle ontologie devrait contenir tous les concepts qui sont nécessaires pour la description des concepts utilisés dans la gestion des risques naturels : les phénomènes, les éléments du territoire, les procédures de mise en sécurité, etc Proposition d une architecture d un système d information intégré pour la gestion des risques naturels Pour répondre aux caractéristiques exprimées ci-dessus, nous présentons dans ce qui suit une proposition d architecture pour un système d aide à la décision pour la gestion des risques naturels. Deux aspects sont discutés dans le système : L architecture fonctionnelle, et l architecture logicielle. Dans l architecture fonctionnelle, nous nous sommes intéressés aux modules qui composent le système ainsi que leurs fonctionnalités. Une description de chaque module est donnée et les spécifications qu il doit satisfaire sont présentées. Quatre modules fonctionnels sont présentés : Le module de surveillance des phénomènes, le système d évaluation, le système de communication et d information, et le système d action

90 Immeuble 2 Immeuble 1 Usine Immeuble 2 Ville Immeuble 1 Maison Usine 4.2 Architecture fonctionnelle Dans l architecture logicielle, nous avons exploré les nouvelles techniques, comme les techniques de visualisation et d acquisition des données, et leurs utilisations dans le système. Le problème d intégration de données a été abordé, et une méthode d intégration de données basée sur le modèle OpenGIS est présentée. Elle tient compte de la spécificité des données impliquées dans la gestion des risques naturels. Une ontologie spécifique au domaine des risques naturels est également présentée comme un moyen pour accéder aux nombreux documents disponibles relatifs à la problématique évoquée. 4.2 Architecture fonctionnelle La figure 4.1 présente les composants de l architecture fonctionnelle d un tel système pour l aide à la décision dans la gestion des risques naturels.!"#$%%&'(# Modélisation C arte Plan Données éléments exposés :30 ;<5=<478 >?0607@ )*+*,-./ ABCDEDFGHIGJKH Administrateur Surveillance Modélisation Système d information pour la gestion des risques naturels Evaluation Communication Action Identification des Éléments vulnérables Estimation des dommages Documents réglementaires Web Recherche des phénomènes historiques Gestion des évacuations Quantification des dégâts Correction des modèles de prédiction Préparation des secours Fig. 4.1 Architecture du système d aide à la décision pour la gestion des risques naturels

91 4.2 Architecture fonctionnelle Le module de surveillance des phénomènes Étant menacée en permanence par un risque particulier, la communauté devrait surveiller de près l évolution des paramètres susceptibles de déclencher le phénomène [5]. La surveillance est spécifique à chaque phénomène, et les paramètres diffèrent d un phénomène à un autre. La surveillance des phénomènes est réalisée en collectant des données, en temps réel ou non, en les analysant, et en les intégrant dans un modèle pour prédire un éventuel déclenchement du phénomène. Le module, pour pouvoir réaliser ces tâches, doit avoir les caractéristiques suivantes :!"#$%%&'(# Fig. 4.2 Le module de surveillance et de contrôle permettre l acquisition des données de types variés, nécessaires au suivi de l évolution des phénomènes. Deux catégories sont souvent présentes : Les données en temps réel : La surveillance des phénomènes repose en premier lieu sur le suivi de plusieurs paramètres et leur évolution dans le temps. Les capteurs peuvent être installés dans plusieurs localisations. Ils mesurent des paramètres et sont reliés à un module de communication pour envoyer les données et recevoir des ordres. Le centre de surveillance reçoit des appels du capteur et stocke les valeurs en continu dans le système [93] [20]. Les capteurs envoient les données avec une fréquence pré-définie (chaque heure par exemple), mais le centre de contrôle peut demander au capteur de modifier la période d échantillonnage des données. Dans le cas, par exemple, de la surveillance des inondations, les capteurs peuvent être installés le long d une rivière, ou à l échelle d un bassin versant, pour mesurer la variation du débit de la rivière et de la vitesse d écoulement. Ces paramètres peuvent être transmis en temps réel au centre de contrôle qui traitera ces informations et analysera les variations des paramètres. A travers des modèles hydrauliques et hydrologiques convenables, le module peut réaliser des cartes d écoulement des eaux, en mentionnant la répartition des vitesses d écoulement, l intensité du courant, etc [15]. Les données cartographiques : Ce sont principalement des données issues de levés topographiques (les modèles numériques de terrain, carte des pentes par exemple), photogrammétriques, et images satellites. Ces données sont utilisées, avec les données en temps réel, dans les modèles de comportement

92 4.2 Architecture fonctionnelle des phénomènes [72]. Le module doit également fournir des modèles pour la simulation de l évolution des phénomènes à partir des données recueillies. Des outils de modélisation doivent être intégrés dans le module afin de garantir un traitement souple des données et de produire en temps réel des cartes de comportement des phénomènes. Par exemple, des outils de modélisation comme 3D Bloc 2, 3D Traj 3 (voir figure 4.3) et 3D Pente 4 peuvent être incorporés au module pour produire des cartes expliquant le comportement des blocs de pierres susceptibles d être dissociés, et leurs trajectoires probables. Fig. 4.3 Détermination des hauteurs de vol au droit d un filet d interception par 3D Traj Le module doit permettre de traduire les résultats des modélisations vers des documents synthétiques du comportement du phénomène. Des techniques de cartographie traditionnelles peuvent être utilisées pour afficher les résultats obtenus (par exemple, des cartes de classes d indice de présomption de la stabilité ou des cartes de distribution des vitesses d écoulements dans un bassin versant). Ces cartes peuvent être mappées dans des représentations tri-dimensionnelles sur un modèle numérique de terrain. Les résultats des modélisations seront communiqués au module d évaluation qui décidera de la gravité du phénomène Le module d évaluation Le module d évaluation est sans doute le module qui est au cœur de la gestion des risques naturels. C est ce module qui permet de décider lesquels des éléments présents sur le territoire sont concernés par un phénomène donné. La vulnérabilité d un élément est déterminée par plusieurs facteurs : structurels, socio-économiques, culturels, etc [7] [13] [31]. La confrontation de ces éléments aux paramètres descriptifs des phénomènes donne la vulnérabilité (voir figure 4.4). Le module a donc besoin d avoir accès à un ensemble d informations pour définir la vulnérabilité des éléments exposés. Souvent, les informations sur les éléments exposés sont distribuées dans plusieurs sources, et sont représentées avec plusieurs modèles, avec différentes échelles. Une méthodologie d intégration adaptée à ces données et sans perte d information est donc nécessaire pour permettre un accès homogène aux sources de données (voir Section 4.5). 2 3D Bloc permet de disposer de moyens d analyse de la structure et de l équilibre de massifs rocheux. 3 L objectif de 3D Traj est d estimer la propagation de blocs susceptibles de se détacher d une falaise rocheuse, et en particulier de déterminer leur hauteur de vol, leur vitesse et les points d impact de leur trajectoires. 4 3D Pente permet de calculer la stabilité des pentes sur la base des algorithmes classiques mais déclinés en 3D, en considérant des colonnes de sol définies à partir des pixels du MNT. Les trois outil 3D Bloc, 3D Traj, et 3D Pente sont des outils développés au sein de l entreprise GIPEA

93 4.2 Architecture fonctionnelle Fig. 4.4 Affichage et réglage de la matrice d endommagement sur le paramètre hauteur d eau dans le cas des inondations Le module d évaluation collecte des différentes sources les informations sur les éléments du territoire, élimine les incohérences et les inconsistances entres les ensembles de données, et présente les résultats à l utilisateur. Le module doit afficher également les résultats de modélisation du module de surveillance sous forme de cartes synthétiques montrant la distribution des paramètres des phénomènes (intensité, vitesse, direction, hauteur de submersion, etc.). La superposition des cartes sur les phénomènes et des enjeux permet de déterminer à partir de règles prédéfinies les éléments vulnérables. L exploitation des résultats produits par ce module peut être réalisée de trois manières : Par requête spatiale L utilisateur peut demander au module d afficher tous les éléments vulnérables dans une zone donnée (à l intérieur d un périmètre donné, le long d une rivière Le buffering ). L utilisation de techniques de visualisation avancées est d un grand intérêt pour afficher les éléments vulnérables et leur degré de vulnérabilité (fort, moyen, faible, négligeable) [72] [17]. La réponse à ces requêtes utilise à la fois des critères spatiaux (par exemple, à l intérieur d une zone, polygone) et des critères non spatiaux (bâtiments d une valeur locative moins de euros par exemple). Par requête non spatiale Avec des critères de vulnérabilité (valeur locative, type de construction, année de construction, etc), l utilisateur peut poser des requêtes pour afficher des valeurs synthétiques, par exemple sur le nombre de personnes en danger ou sur le coût des dommages que peut provoquer un phénomène particulier. Par navigation L utilisateur peut être intéressé par naviguer les éléments vulnérables à un ou plusieurs phénomènes selon le critère de vulnérabilité, en passant par exemple, des éléments à faible vulnérabilité aux éléments à forte vulnérabilité. Les concepts d Hyperdocument et Hypercarte [83] peuvent être utilisés pour parcourir les différentes catégories de phénomènes, et les éléments exposés. Le module doit satisfaire les conditions suivantes afin de répondre aux besoins des utilisateurs potentiels : le module doit permettre de réunir toutes les informations relatives aux éléments exposés des différentes sources, et de résoudre les conflits qui peuvent exister entre les différentes descriptions [91]. C est le problème de l intégration de données [131] [129] [76], et il doit tenir compte des conflits sémantiques, structurels et géographiques afin d assurer à l utilisateur un accès homogène et sans perte d information. il doit donner un accès uniforme aux sources décrivant les phénomènes naturels (le module de surveillance des phénomènes), et aux sources sur les éléments exposés (bâtiments, infrastructures, routes,

94 4.2 Architecture fonctionnelle etc), chaque élément du territoire présente un comportement particulier face à un phénomène donné. La vulnérabilité d un élément varie selon la nature du phénomène [7] [13]. Le module doit afficher les composantes de la vulnérabilité des éléments du territoire en fonction du phénomène étudié. le module doit permettre l interrogation directe des informations selon des critères spatiaux et non spatiaux, et la navigation des sources de données selon : les types de phénomènes, les types des enjeux, et les degrés de vulnérabilité (forte, moyenne, faible, négligeable) Le module de communication et d information Qu il s agisse de risque ou de tout autre aspect lié à l environnement et à l aménagement du territoire, il est de plus en plus important d informer, de former et de communiquer [74] [110]. Quand une catastrophe est imminente, une des solutions est de décrire la situation en temps réel sur internet 5. L alerte par le web semble être une excellente méthode pour informer la population d une ville. Il n est pas facile cependant d alerter les gens qui sont de passage dans la ville [117]. Le module d information et de communication n a pas comme unique tâche d alerter les populations sur un risque imminent, il doit également informer les personnes sur l historique des phénomènes dans leur région, de la réglementation relative à l urbanisme et à l aménagement. Finalement, les scientifiques ont besoin d accéder aux données sur les phénomènes passés et leurs dommages sur les territoires afin d améliorer la précision des modèles existants. Le module doit tenir compte de cette demande pour assurer aux scientifiques un accès aux informations nécessaires. Afin de répondre aux besoins des différents utilisateurs, le module de communication et d information doit satisfaire certaines conditions, comme : informer la population en temps réel (en coordination avec le module de surveillance des phénomènes) sur l évolution des phénomènes. informer les décideurs sur les risques potentiels qui menacent leur territoire, et leur donner accès aux dommages probables que peuvent avoir les phénomènes menaçants sur les populations. (en coordination avec le module d évaluation) donner accès, à la population et aux décideurs, aux informations historiques sur les événements passés, et aux textes réglementaires associés (figure 4.5). donner aux scientifiques l accès aux informations sur les paramètres mesurés en permanence, et l historique des phénomènes Le module d action Une fois les populations concernées par les risques sont identifiées, et les biens vulnérables repérés, le module d action doit fournir aux décideurs des plans et des procédures pour préparer l avènement du phénomène [24]. Le module doit s appuyer sur les informations recueillies dans les modules d évaluation pour établir des mesures afin de diminuer les menaces qui pèsent sur les éléments vulnérables, et pour faciliter l organisation des secours et gérer l accès aux personnes en danger. Une communication doit être établie donc avec les autres modules de l architecture, soit pour acquérir les informations nécessaires (le module d évaluation), soit pour fournir des informations (pour le module d information et de communication). Cette communication peut être réalisée à travers la publication de cartes, de plans, et des simulations de situations [72] [17] [58]. 5 voir le site pour voir la publication en temps réel des cartes de risques sur internet

95 4.3 Architecture Logicielle Fig. 4.5 La présentation des textes spécifiques aux risques naturels pour information du publique et des responsables Le module d action doit satisfaire les conditions suivantes : Permettre une communication en temps réel avec les autres modules (surveillance, évaluation et information). L accès en temps réel aux informations des autres systèmes assurent aux décideurs une bonne gestion de la crise et une meilleure connaissance du déroulement des secours. Une partie ou la totalité des informations disponibles sur les sources de données des autres modules devrait être visible au module d action. Cet accès peut être assuré en donnant des droits d accès et des privilèges aux administrateurs du module en fonction de l importance de l information souhaitée. Diffuser en temps réel (sur le web par exemple) les informations sur les actions à mener, de manière à diminuer la crainte chez les populations, et permettre aux décideurs de connaître à tout moment l avancement des activités de secours. Simuler des scénarios de catastrophes et les activités de secours correspondantes. Les techniques de visualisation en 3D sont d un grand intérêt et permettent d afficher les situations avec un réalisme très proche de la réalité. Le module d action doit mettre à disposition du personnel de la sécurité civile les anciens scénarios des secours, afin d en tirer des leçons pour mieux se préparer dans d éventuelles situations de crises. L utilisation des bases de connaissances sur les anciennes catastrophes, les anciens plans de secours, et les scénarios d interventions peut s avérer utile. 4.3 Architecture Logicielle Trois modules cohabitent dans l architecture du système. Le premier permet d alimenter l entrepôt par les données nécessaires (Module d acquisition des données), le deuxième sert à nettoyer, consolider et préparer les données pour les exploiter ultérieurement (Module d intégration des données), et le troisième assure la visualisation des données (Module de visualisation des données)

96 4.3 Architecture Logicielle Le module d acquisition des données Le choix des données, qui vont servir la gestion des risques naturels, dépend de plusieurs critères, comme la qualité des données, le coût des données, la résolution, l échelle, la granularité des données, et l adéquation des données par rapport aux besoins exprimés. Plusieurs types d informations devront donc être intégrés dans le système, on peut résumer les caractéristiques de ces données comme suit : Elles résident dans différentes sources, Ces données sont en général gérées par des systèmes opérationnels et sont structurées dans des systèmes de bases de données relationnels, objets ou objet-relationnel, géographiques ou autres. Une autre catégorie de données est disponible sous forme de documents non structurés. la nature des données est très variée : des documents administratifs, des documents réglementaires, des documents du cadastre, des données du recensement, des données quotidiennes de la météo, des historiques des catastrophes naturelles, etc. certaines données sont collectées quotidiennement, ou avec une autre fréquence, par des capteurs, pour alimenter le système ; toutes ces informations ont la particularité d être hétérogènes au niveau de leur structure et de leur sémantique, et leur acquisition sans perte d information dans le système nécessite approche méthodique. Une solution intéressante pour accéder à ces données est l utilisation de médiateurs (Plus de détails sur cette approche dans la Section 4.3.3). Par exemple, un simple médiateur peut transformer des miles en des kilomètres, un autre plus complexe permet de transformer les observations quotidiennes des précipitations en des observations mensuelles. En procédant de sorte dans une architecture client serveur, une troisième couche de données, composée de médiateurs qui accèdent aux sources de données, est rajoutée Le Module de visualisation des données Généralement, les cartes sur les risques dérivées des analyses sur les données recueillies, décrivent souvent un scénario particulier, et ne laissent pas la place à une interprétation personnelle. Les données sur les risques sont hétérogènes, complexes, inter-dépendantes, non directement comparables, et corrélées d une manière pas immédiatement comparable. Les techniques de visualisation ont émergé comme une forme de cartographie exploratoire, qui peut aider à expliquer, analyser, et communiquer le risque. Et puisque l analyste du risque et le publique en général ne peuvent pas avoir la même vision de ce qui peut constituer le risque, les techniques de visualisation peuvent aider le gestionnaire à mieux comprendre les facteurs sous-jacents, et à générer des cartes de risques interactives, et communiquant ainsi un message aussi clair que possible au publique La visualisation cartographique La visualisation cartographique s appuie sur l exploitation des nouvelles technologies, comme les animations multidimensionnelles, les simulations visuelles, les traitements d images numériques, etc (figure 4.6) La réalité virtuelle La réalité virtuelle et la simulation visuelle regroupent un ensemble de techniques permettant de restituer un environnement tridimensionnel avec lequel l utilisateur peut interagir en temps réel. L utilisation de la réalité virtuelle est très importante dans le cas de la gestion des risques naturels, puisqu elle permet d assister l utilisateur, à travers une représentation tridimensionnelle, pour mieux comprendre le contexte naturel, et le comportement

97 4.3 Architecture Logicielle Fig. 4.6 Exemple de maillage triangulaire d un front rocheux à partir du relevé d une série de profils de certains phénomènes naturels (inondation, lahar 6 (figure 4.7(a)), glissement de terrain (figure 4.7(b) issu de l application de l outil IRIS)). (a) L analyse en retour de la propagation du lahar (b) L affichage d un indice de prédisposition à l instabilité Fig. 4.7 Exemples de techniques de visualisation appliquées à des risques naturels Animation visuelle en temps réel L animation en temps réel repose principalement sur la production de cartes d animation [58]. Ce type de visualisation est très important surtout dans le système de surveillance des phénomènes qui reçoit des informations 6 Figure montrant le résultat d une analyse tridimensionnelle de la propagation de laves torrentielles de l application Lahar développée par l entreprise GIPEA

98 4.3 Architecture Logicielle en continu sur l évolution des paramètres des phénomènes. Ces cartes ont les caractéristiques suivantes : L information est capturée par des capteurs et envoyée au système pour l interprétation et la visualisation. La vitesse de l acquisition des données varie selon le type du phénomène, allant d une minute, ou moins (le cas des capteurs hydrographiques le long d une rivière), à plusieurs jours, voire plus (les capteurs sur les mouvements de terrain) La visualisation est assurée en temps réel Le système d observation des phénomènes reçoit une multitude d informations en continu, il doit filtrer les informations selon le besoin, les traiter et les afficher à l utilisateur en se servant d une sémiologie graphique facile d interprétation par l utilisateur. Un autre type d animation est celui des simulations visuelles animées. Elle est généralement bien adaptée pour la représentation des processus dynamiques comme le cas des inondations Les hypercartes Alors que les documents conventionnels de la gestion des risques naturels sont essentiellement des textes imprimés, ayant une structure logique et physique organisée sequentiellement et hiérarchiquement, les hyperdocuments sont des versions modernes des documents organisés de façon non linéaire. Ce sont des documents électroniques avec un accès direct aux informations de formes diverses par le moyen de fenêtre de présentation, et par des cliques souris sur des mots importants du texte. L idée principale des hypercartes [83] est d étendre le concept d hyperdocument en intégrant le référencement géographique. Certains auteurs utilisent encore le terme de Cartes cliquables. La navigation dans les hypercartes peut être réalisée selon deux aspects : la navigation thématique, telle qu elle est utilisée dans l hypertexte, et la navigation spatiale qui est particulière aux hypercartes. Les documents réglementaires et juridiques, les cartes d aléas, les procédures de secours, les documents historiques, et les autres documents relatifs à la gestion des risques naturels, peuvent être réorganisés sous forme d hypercartes (figure 4.8), et donner ainsi aux gestionnaires une vue d ensemble et rapide sur la zone d intérêt. Le référencement spatial peut avoir deux aspects : Le référencement spatial des nœuds des documents Le référencement spatial des cartes et d autres documents géographiques Un nœud, représentant un ou plusieurs concepts sémantiques, peut avoir une ou plusieurs références spatiales. Par exemple, un nœud d une carte d aléa peut être le cours d une rivière, un point géodésique, ou une raffinerie La cartographie des risques sur le Web Les grands changements apportés dans les domaines de la technologie Internet et de la technologie de l information en général par l apparition du standard XML ont eu également un impact sur le domaine de l information géographique. Au début, l information géographique est présentée sur Internet en utilisant un moteur SIG sur un serveur pour générer des images cartes (GIG ou JPEG). Ces images sont ensuite incorporées dans des pages HTML envoyées au navigateur Web de l utilisateur. L apparition en 2000 de la première version de GML (Geography Markup Language) [97] a offert une nouvelle possibilité : fournir l information géographique sous forme d entités distinctes et contrôler la façon dont ces entités sont affichées. Cette nouvelle approche donne la possibilité de visualiser les cartes qui en résultent dans un navigateur standard, ce qui élimine la nécessité d acquérir des logiciels SIG du côté client. GML est un standard basé sur XML qui a été conçu pour la modélisation, le transport et le stockage de l information géographique (voir exemple de fichier GML dans la figure 4.9). La version 3.0 de ce standard développé par Open GIS Consortium publiée en janvier 2003 constitue une avancée en raison de l introduction, dans cette version, de plusieurs éléments importants : le support pour les géométries complexes, la possibilité de décrire des

99 4.3 Architecture Logicielle Fig. 4.8 Un exemple d hyperdocumentation dans la gestion des risques d inondation par les ruisseaux du Grand Lyon systèmes à référence spatiale et temporelle, la topologie, les unités de mesure, les métadonnées et les styles par défaut pour la visualisation des entités et des couvertures [97]. La création d une base de données géographiques avec GML commence par la modélisation des données en GML, c est-à-dire la création d un schéma d application (en XML Schema) qui décrit la structure des données. Ensuite, les données sont stockées dans des fichiers GML respectant la structure de données qui a été décrite et ces fichiers sont stockés dans une base de données. Les données ainsi stockées sont ensuite prêtes à être utilisées à des fins variées. Une des possibilités est de créer des cartes à l aide des informations géographiques obtenues et pour réaliser cette tâche, un autre standard basé sur XML peut être utilisé, le SVG 7 [127].!"#$ Fichier GML <Road gml:id="o.1f75dc"> <name>rn12</name> </Road> <class>route nationale</class> <centerline> <gml:curve>...</gml:curve> </centerline> <maintainer>dot xyz</maintainer> Fig. 4.9 Exemple de fichier GML 7 Le SVG ( Scalable Vector Graphics) est une grammaire basée sur XML pour la description d objets graphiques en deux dimensions. Le SVG permet de gérer trois types d objets graphiques : les formes vectorielles (courbes, lignes, polygones, etc.), les textes et les images raster

100 4.3 Architecture Logicielle Le module d intégration de données La recherche sur l intégration dans les systèmes d information est motivée par l hétérogénéité croissante des informations disponibles dans des bases de données. L hétérogénéité dans les systèmes d information pour les risques naturels, n est pas une exception, mais la complexité et la richesse des données et la difficulté de leur représentation soulèvent des problèmes spécifiques pour l intégration des données dans le contexte de gestion de risques naturels. L hétérogénéité sémantique des sources de données impliquées dans la gestion des risques naturels entraîne de sérieux problèmes. Les experts du domaine utilisent des concepts et une terminologie spécifiques à leur domaine d expertise, et utilisent différent paramètres et langages pour exprimer leur modèle du concept. Les humains utilisent leur sens commun, i.e. leur connaissance sur le monde, pour traduire le sens des concepts et des termes dans leur propre terminologie. Les systèmes n ont pas généralement une connaissance sur les risques naturels et leur gestion, et doivent être explicitement informés sur la façon de traduire un terme dans un autre. L utilisation des ontologies comme des traducteurs sémantiques est une approche possible pour résoudre le problème de conflits de nomenclature et l hétérogénéité sémantique souvent rencontrés dans le processus de gestion de risques naturels. Récemment, l utilisation de l ontologie dans les systèmes d information est discutée dans [54] et spécialement dans la construction des SIG [35] [82], et la création des composants SIG à partir des ontologies [45]. Une première tentative d intégration de sources de données (généralement géographiques) s est traduite par la traduction directe d un format de fichier vecteur ou standard dans un autre. Cependant, ces traductions de formats peuvent mener à une perte d information. Les alternatives qui évitent ce problème sont généralement très complexes, comme les standards d échange de données (Spatial Data Transfert Standard (SDTS) et Spatial Archive and Interchange Format (SAIF)). Une large discussion sur les formats d échanges de l information géographique peut être trouvée dans [66]. Une des stratégies importantes pour l intégration est la conversion des différents formats de données dans une structure de données commune. Une telle structure de données devrait être définie et fondée sur les standards SIG existants. Une initiative importante pour réaliser l intégration des données géographiques est le OpenGIS Consortium. C est une association qui cherche à définir un ensemble de spécifications standards, qui vont supporter l intégration des SIG. L objectif est de définir une technologie qui va permettre au développeur d application d utiliser toutes les données et les traitements géographiques disponibles sur Internet ou sur un réseau à l intérieur d un seul environnement. Dans cette partie, deux propositions seront développées pour résoudre les problèmes de diversité des données et des documents, d hétérogénéité de format, et de sémantique des données impliquées dans la gestion des risques naturels, en vue de leur utilisation dans un système d information. Dans une premier temps, nous allons proposer une ontologie du domaine des risques naturels. L ontologie est un élément clé pour une structuration sémantique de données hétérogènes d un domaine. Elle permet une spécification commune et formelle des concepts du domaine. Dans un second temps, nous présenterons une méthodologie d intégration des données adaptée à la problématique de gestion des risques. Cette méthodologie s appuie sur le standard OpenGIS (figure 4.10) La gestion des documents sur les risques naturels La diversité des documents relatifs aux risques naturels et leur disponibilité posent le problème de l exploitation de ces ressources. L organisation de ces ressources est donc primordial pour pouvoir réaliser des tâches de recherche d information et d exploration. Le concept d entrepôt de documents répond dans une certaine mesure à ces préoccupations. En effet, le concept d entrepôt de documents, similaire au concept d entrepôt de données, repose sur la centralisation des informations dans l entrepôt de documents. Grâce à cette centralisation, la capture, la conservation, et l accès aux documents sur les risques naturels sont réalisés selon un modèle unique. Certaines des fonctionalités requises sont :

101 4.3 Architecture Logicielle Thème Schéma 1 Schéma 2 Schéma 3 Schéma 4 Avec Géométrie Administrateur des données Résolution des conflits et intégration Shapefile!""# $#$ %#" EDIGéo!""# $#$ %#" Mif/Mid!""# $#$ %#" Éléments exposés Transformation des schémas vers le modèle OGC E00!""# $#$ %#" Cartes inondations Cartes glissements Carte Vitesse Vent Carte Hauteur Eau Couverture DEFF5Ḡ/EH,--./01-23 AB5C5 AB5C &'()*+() <;)=()>?+@+ <;)=()>?+@+ <;) un type de &'=I+J)=J+ KLMN+9I+& O+'N+)J*+ 8'&9:*;9)*'( Couvertures Documents réglementaires Annotation sémantique Secours Vulnérabilité Risques Témoignages historiques Ontologie du domaine Documents réglementaires Témoignages historiques Documents annotés Phénomènes Requête Gestionnaire Du risque Réponse Fig Intégration des données dans le système proposé de référence La capture des documents : le système doit permettre l acquisition de documents avec ou sans leurs métadonnées qui existent déjà dans le système d information actuel. Une fois les sources de documents identifiées, il va falloir extraire et charger les documents dans l entrepôt. Cette étape peut être compliquée dans la mesure où les documents sont fournis par des sources très hétérogènes en terme d accessibilité. Il peut s agir de bases documentaires, de sites web, etc. La gestion des documents : le système doit pouvoir gérer bien plus que des documents écrits. Il doit permettre la gestion de tous les types de documents image, son, vidéo, etc. En d autres termes, le système doit permettre l indexation, la recherche et la diffusion des documents quel que soit leur format. Le stockage des documents : le système doit permettre différents supports de stockage. En outre, il doit gérer les changements de format, et déterminer le format adéquat à l utilisation que l on veut de l information. Le traitement et l analyse des documents : Le traitement et l analyse des documents stockés dans l entrepôt de documents sont nécessaires, notamment pour faciliter la recherche et l exploration. Ces traitements permettent de créer les index et les résumés relatifs aux documents. Ils fournissent aussi un support pour leur traduction et leur catégorisation. Pratiquement, tous les outils de traitement et d analyse des documents reposent sur des bases de connaissances nommées lexiques ou dictionnaires. En règle générale, une base de connaissances peut contenir des informations morpho-lexicales (lexique, dictionnaire), syntaxique, sémantiques (ontologies) et conceptuelles (réseaux sémantiques). Dans notre travail, nous retenons l utilisation

102 4.3 Architecture Logicielle des ontologies comme moyen pour gérer les informations conceptuelles portant sur le domaine des risques naturels (voir Section 4.4). L accès aux documents : le système doit fournir un accès suivant le même modèle pour l ensemble des informations, quels que soit les formats, les contenus et les lieux physiques de stockage. L accès aux informations doit pouvoir être réalisé suivant les différents modes possibles, recherche directe ou exploration. Le système doit permettre également de gérer les interactions possibles avec le document moyennant des annotations L utilisation des ontologies dans la gestion des risques naturels Le rôle majeur d une ontologie pour les risques naturels est d agir comme un médium de communication, particulièrement entre les différents acteurs, entre les utilisateurs et les différents systèmes d information disponibles, et entre les différents systèmes d information. Nous citons ci dessous les principales raisons derrière la nécessité du développement d une ontologie 8 pour les risques naturels sont : La confusion terminologique : Dans le domaine des risques naturels, plusieurs experts travaillent en collaboration. Leurs champs d expertises sont divers : scientifiques, géologues, hydrauliciens, élus, urbanistes, aménagistes, etc. Chaque expert utilise un vocabulaire particulier (une terminologie précise commune n existe pas). Il n y a pas de règle pour aider à utiliser un terme. Les synonymes existent, quelques termes peuvent être utilisés dans des disciplines différentes avec des sens similaires, mais non identiques (des différences sémantiques apparaissent en utilisant le même terme dans différentes disciplines). Toutes ces raisons reflètent le besoin pour une structuration des termes et des connaissances qui peuvent être utilisées dans des applications relevant de la gestion des risques naturels. La modélisation du domaine : Une ontologie sur les risques naturels prétend modéliser le processus entier de la gestion et de la prévention des risques. Une telle ontologie devrait contenir tous les concepts qui sont nécessaires à la description des objets pour la gestion des risques naturels : les phénomènes, le territoire, les éléments exposés, les procédures de mise en sécurité, et les documents disponibles. Ceci revient à collecter tous les concepts que les gestionnaires utilisent dans leur réflexion, et de les placer proprement dans une hiérarchie est-unélément-de et est-un-membre-de, en les annotant avec des propriétés additionnelles. La réutilisation : Une ontologie est créée pour être facilement réutilisable. La réutilisation d une ontologie est loin d être un processus automatisé. Elle prend en compte non seulement les considérations de l ontologie, mais aussi les tâches pour lesquelles elle est conçue. Les termes employés dans une ontologie pour la gestion des risques naturels peuvent être réutilisés dans d autres domaines comme l aménagement du territoire, l urbanisme, etc. La notion d ontologie est un élément clé pour une structuration sémantique de données hétérogènes portant sur un domaine particulier. Elle permet une spécification commune et formelle des concepts du domaine. Une ontologie est caractérisée non seulement par la spécificité du domaine et les besoins applicatifs, mais aussi par sa richesse d expressivité allant d un simple vocabulaire, à de véritables bases de connaissances ou thésaurus [130] [54]. 8 Il existe certaines terminologies relatives aux domaines géographiques, qui peuvent être considérées comme des ontologies. La majorité de ces éléments sont des standards de données réalisés par des organismes, comme USGS spatial data transfer standard (SDTS), Geological data description directory(gddd), CORINE LC Nomenclature of the European Evironmental Agency. Dans cette dernière, alors que la catégorisation de l occupation des sols a un schéma hiérarchique, les niveaux de la hiérarchie ne reflètent pas les différents niveaux de concepts en terme ontologiques, parce que l objectif était de catégoriser l occupation des sols en se basant sur l échelle et des unités d une certaine taille

103 4.4 Proposition d une ontologie pour les risques naturels Nous présentons dans la section 4.4 une ontologie sur les risques naturels Intégration des données Nous présentons dans la section 4.5 une méthodologie d intégration des données pour les risques naturels en s appuyant sur le modèle OpenGIS. Les données sont d abord traduites de leurs schémas d origines vers le schéma OpenGIS. Des règles de traduction sont présentées pour mieux adapter la traduction au contexte des risques naturels. Des extensions sont proposées dans le modèle initial OpenGIS. Plusieurs analyses sont décrites afin de découvrir les conflits éventuels qui peuvent exister entre les schémas. 4.4 Proposition d une ontologie pour les risques naturels Nous présentons dans cette partie une ontologie relative à la gestion des risques naturels. Nous utilisons la terminologie OWL 9 telle qu elle est supportée par l éditeur d ontologie Protégé-3.0 [63]. Protégé permet de saisir les éléments d une ontologie (Concepts, Propriétés, Instances, Métadonnées) dans le langage OWL. Parmi les avantages offerts par OWL, il trouve ses fondements théoriques dans les logiques de description qui reposent sur une sémantique formelle [63] [64]. Par opposition à d autres formalismes comme les langages de Frames qui reposent principalement sur les déclarations explicites des subsomption de classes, les logiques de descriptions permettent de calculer la relation de subsomption entre les classes en se basant sur les définitions intentionnelles de celles-ci. Par conséquent, l utilisation des définitions intentionnelles dans les ontologies permet de rendre ces dernières plus compactes, avec moins d erreurs, et facile à maintenir. La sémantique précise des logiques de description permet de réaliser des raisonnements automatiques sur les ontologies [54], comme la classification et la vérification de consistance sur des définitions de concepts Le langage d ontologie OWL En décembre 2003, le W3C 10 a suggéré OWL (Ontology Web Language) comme une recommandation 11. Selon le W3C, OWL est sensé être utilisé dans les applications qui nécessitent le traitement du contenu de l information plutôt que la présentation de l information. OWL permet de représenter les principaux éléments d un domaine, avec leurs caractéristiques, et les relations qui existent entre eux. Il est conçu comme une extension de vocabulaire de RDF, et il a plus de facilités pour exprimer la sémantique, comparé à XML, RDF, et RDFS [28]. OWL a trois sous langages, avec des degrés d expressivité croissants [59] : OWL Lite Il est destiné aux utilisateurs nécessitant une hiérarchie de classification et des contraintes simples. Il ne permet pas l utilisation de quelques primitives disponibles dans d autres sous langages de OWL. OWL DL Il permet plus d expressivité dans la déclaration des concepts. DL signifie Description Logic (voir Section ). Il fournit les primitives pour construire les déclarations qui peuvent être traitées par les moteurs d inférences utilisant les logiques de description. OWL Full Il est destiné aux utilisateurs qui souhaitent avoir un maximum d expressivité dans la déclaration des concepts. Il permet l utilisation de la syntaxe de RDF. Il n y a pas de moteur d inférence qui soit capable de supporter toutes les caractéristiques de OWL Full. 9 Ontology Web Language 10 World Wide Web Consortium 11 Proposed Recommendation

104 4.4 Proposition d une ontologie pour les risques naturels Chacun des sous langages est une extension du précédent, chaque déclaration valide dans OWL Lite est aussi une déclaration valide dans OWL DL, et chaque déclaration valide dans OWL LD est aussi une déclaration valide dans OWL Full, mais ce n est pas valable dans le sens inverse. OWL étend RDF-Schema (ou RDFS) pour permettre l expression de relations complexes entre différentes classes RDFS, ainsi que l expression de contraintes plus précises sur des concepts et des propriétés spécifiques. Pour connaître les extensions introduites par OWL, nous référons à [28]. Les langages OWL Full et OWL DL reconnaissent le même ensemble de structures de langage OWL. Ils se différencient par les restrictions d utilisation sur certaines fonctionnalités et par l emploi de fonctionnalités RDF. Le langage OWL Full autorise le mélange arbitraire de OWL avec le schéma RDF et, comme pour le schéma RDF, il n exige pas une séparation stricte des classes, des propriétés, des individus et des valeurs de données. Le langage OWL DL impose des conditions sur l emploi des ingrédients de RDF et exige une disjonction des classes, des propriétés, des individus et des valeurs de données Logiques de description Les logiques de descriptions [10] sont un formalisme de représentation de connaissances et de raisonnement étudié depuis une trentaine d années. Elles constituent une famille de sous-langages de la logique du premier ordre, et ont été développées pour la modélisation de structures hiérarchiques complexes et le raisonnement sur ces structures. A l origine, les logiques de description sont issues de la volonté de doter des formalismes graphiques de représentation de connaissances d une sémantique formelle rigoureuse. Ceci a abouti à l étude de fragments de la logique du premier ordre qui sont, dans leur grande majorité, décidables. De plus, l expérience acquise en termes d implémentation et d optimisation assure une grande efficacité des procédures de raisonnement. Les logiques de description permettent de décrire un domaine en deux parties : la partie intentionnelle, qualifiée de «terminologique», qui décrit les notions appelées «concepts» constituant le domaine, et la partie extensionnelle qui décrit les individus qui peuplent ce domaine. Il est alors possible de raisonner sur ces descriptions du domaine. Par exemple, on peut tester la satisfiabilité d un concept (i.e. vérifier qu il est cohérent, non-contradictoire avec les autres concepts) et classer les uns par rapport aux autres (en utilisant le raisonnement de subsomption). A partir de ces raisonnements de base, dits standard, de nombreux autres ont été étudiés, dits non standard, aussi bien au niveau terminologique que des individus. Nous présentons ci-dessous les notions de bases des logiques de description : syntaxe, sémantique et raisonnements standard de subsomption et de satisfiabilité qui en découlent. A. Notions de base des logiques de description Nous présentons ici les notions de base des logiques de description utilisées par la suite dans cette thèse. Cette représentation est basée sur le Description Logic Handbook [10] ainsi que sur la thèse de Ralf Küsters [77]. A.1. Langage et syntaxe Une logique de description permet de décrire l aspect terminologique (intentionnel) d un domaine en termes de concepts, qui sont des classes d individus, et en termes de rôles, qui sont des relations binaires entre individus. Chaque concept est décrit par une description de concept, elle-même construite par l intermédiaire de constructeurs de concepts. Soit N C l ensemble des noms de concepts et N R l ensemble des noms de rôles. Les descriptions de concepts élémentaires sont appelées concepts atomiques : ces concepts ne sont définis que par un nom de concept. On nomme N A l ensemble des concepts atomiques (on a donc N A N C ). Les descriptions complexes sont construites récursivement à partir des concepts atomiques, des rôles et des constructeurs de concepts. Voici quelques exemples de constructeurs parmi les plus courants :

105 4.4 Proposition d une ontologie pour les risques naturels Le concept universal désigne l ensemble de tous les individus du domaine. Le concept inconsistant dénote le concept vide correspondant à l inconsistance logique. La négation A d un concept atomique A définit un concept comme le complémentaire dans de A. Par exemple, dans le domaine de la famille, si Feminin est le concept atomique qui décrit tous les individus de sexe féminin, alors F eminin est le concept qui décrit tous les individus qui ne sont pas de sexe féminin. La conjonction exprime le concept issu de l intersection de deux concepts. Par exemple, si Personne est le concept atomique décrivant tous les individus qui sont des personnes, alors Personne Feminin décrit toutes les personnes de sexe féminin, c est à dire toutes les femmes. La restriction de valeur et la restriction numérique «au moins» et «au plus», noté respectivement R.C, nr et nr, expriment des restrictions sur le type de valeur et le nombre de valeurs autorisées pour un rôle, respectivement. Par exemple, aenf ant.f eminin décrit les individus n ayant comme enfant que des individus de sexe féminin. La description 3aEnf ant décrit les individus ayant au moins trois enfants. Le quantificateur existentiel qualifié R.C assure que chaque individu du concept construit est relié à un individu de C par le rôle R. Par exemple, aenfant.f eminin décrit les individus ayant au moins un enfant de sexe féminin. La disjonction décrit l union de deux concepts. Par exemple, F eminin F eminin décrit les individus qui sont de sexe féminin ou qui ne sont pas de sexe féminin, c est-à-dire tous les individus. Cette description de concept est équivalente à. La négation complète C d une description de concept C définit un concept comme le complémentaire dans de C. Par exemple, (P ersonne F eminin) décrit les individus qui ne sont pas des personnes de sexe féminin. Le tableau 4.1 résume les constructeurs précédents (le constructeur R est équivalent à 1R et = nr est équivalent à ( nr) ( nr)). Chaque logique de description, appelée aussi langage, est caractérisée par un et un seul ensemble de constructeurs. C,D Concept universel Concept inconsistant A Concept atomique A Négation atomique C D Intersection (ou conjonction) R.C Restriction de valeur (ou quant. universel) R Quantificateur existentiel nr Restriction numérique «au moins» nr Restriction numérique «au plus» = nr Restriction numérique exacte C Négation complète R.C Quantificateur existentiel qualifié C D Disjonction Tab. 4.1 Syntaxe de quelques constructeurs de concepts Avec A un concept atomique, C et D des descriptions de concepts, R un rôle et n un entier positif ou nul

106 4.4 Proposition d une ontologie pour les risques naturels A.2. Sémantique La volonté de développer des procédures de raisonnement rigoureuses et sans ambiguïté dans les systèmes à base de logiques de description exige l assignation d une sémantique formelle aux descriptions de concepts. La sémantique dénotationnelle (ou descriptive) est la plus utilisée dans ce domaine. Informellement, étant donné un ensemble d individus dis «univers de discours» ou «domaine d interprétation», les concepts sont interprétés comme étant des sous-ensembles d individus du domaine d interprétation, et les rôles comme étant des relations binaires entre ces sous-ensembles. Ces sous-ensembles d individus et ensembles de couples d individus constituent les extensions des concepts et des rôles. Une fonction d interprétation fait correspondre à chaque concept et à chaque rôle son extension. Définition 1 (Interprétation) Une interprétation I est un couple ( I,. I ) qui est constitué d un domaine d interprétation non vide I et d une fonction d interprétation. I qui fait correspondre à chaque nom de concept A un ensemble A I I, et à chaque rôle R une relation binaire R I I I. Nous donnons maintenant les définitions des notions qui découlent de la sémantique précédente, à savoir celles d inconsistante, de satisfiabilité, de modèle, de subsomption et d équivalence. Définition (Satisfiabilité, subsomption et équivalence) Satisfiabilité : Un concept C dont l interprétation C I n est pas vide pour au moins une interprétation I est dit satisfiable pour cette interprétation. On dit alors que I est un modèle de C. Si C n admet pas de modèle, alors on dit que C est insatisfiable, ou inconsistant. Subsomption : On dit que le concept D subsume le concept C, ou que C est subsumé par D, noté C D, si est seulement si C I D I pour toute interprétation I. Equivalence : On dit que le concept D et le concept C sont équivalents, noté C D, si est seulement si C I = D I pour toute interprétation I. A.3. Terminologies ou TBoxes A l image d un schéma relationnel qui décrit une base de données au niveau intentionnel, l ensemble des connaissances intentionnelles d un domaine est décrit par une terminologie. Un axiome terminologique a deux formes possibles : C D (axiome d inclusion de concepts) et C D (axiome d égalité des concepts). Ainsi, les axiomes d inclusion et d égalité de concepts correspondent respectivement à des relations de subsomption et d équivalence arbitrairement définies. Une égalité de concepts dont le membre de gauche est un nom de concept est appelée une définition de concept. Les définitions de concepts sont utilisées pour nommer des descriptions (complexes) de concepts. Les définitions de concepts sont utilisées pour nommer des descriptions (complexes) de concepts. Les noms des descriptions de concepts obtenus sont appelés concepts définis et sont regroupés dans l ensemble N D (donc N C = N A N D, avec N A N D = ). La terminologie T, ou Tbox (pour «terminological box»), est un ensemble d axiomes terminologiques. Une terminologie où les descriptions manipulées sont des L-descriptions est une L-terminologie. La sémantique des axiomes terminologiques et des terminologies est la suivante. Une interprétation I satisfait C D si est seulement si C I D I. I est alors un modèle de cet axiome. Une interprétation I satisfait C D si est seulement C = D. I est un modèle de cet axiome. Une interprétation I satisfait une terminologie T si est seulement I satisfait chaque axiome de T. Deux terminologies (axiomes) sont équivalentes si et seulement si elles ont les mêmes modèles. Nous présentons maintenant les raisonnements terminologiques (concernant les concepts) des logiques de description

107 4.4 Proposition d une ontologie pour les risques naturels A.4. Raisonnement standard Il existe deux raisonnements terminologiques standard dans les logiques de description. Le premier est le test de satisfiabilité qui consiste à vérifier la cohérence logique d un concept par rapport aux autres concepts de la terminologie considérée. Le second est le test de subsomption entre les concepts de la terminologie considérée, qui consiste à vérifier si un concept est plus spécifique qu une autre. L ensemble de toutes les relations de subsomption entre couples de concepts d une terminologie constitue la hiérarchie de concepts de la terminologie. Le test de subsomption est à la base du processus de classification, appelé aussi raisonnement taxinomique, qui consiste à trouver automatiquement la position d un concept dans une hiérarchie. Voici la définition précise des raisonnements de satisfiabilité et de subsomption [37], [10] : La satisfiabilité : une description de concept C est satisfiable par rapport à une terminologie T si est seulement si il existe un modèle I de T tel que C I. I est alors un modèle de C. La subsomption : le concept C est subsumé par le concept D selon la terminologie T (on note alors C T D, ou bien T = C D) si est seulement si C I D I, pour tout modèle I de T. Ces raisonnements standard des logiques de description sont bien adaptés à de nombreux problèmes, comme par exemple le traitement du langage naturel, ou les bases de données et les langages de modélisations associés. Dans le traitement du langage naturel, la sémantique des connaissances manipulées dans les logiques de description peut être utilisée dans le processus d interprétation sémantique qui consiste à désambiguïser certaines phrases syntaxiquement ambiguës. Dans les bases de données, on peut utiliser les raisonnements pour éviter si certaines parties d un schéma conceptuel sont correctes. Plus généralement l interaction est très profitable entre un système de gestion de bases de données, adapté au stockage et à la gestion d un grand volume de données persistantes, et un système de représentation de connaissances et de raisonnement basé sur les logiques de description bien adapté à la gestion de la connaissance intentionnelle (le schéma de la base, les contraintes). Pour plus de détails sur ces applications, on se référera à la partie 3 de [10] Les composantes de l ontologie Pour déterminer le contenu de notre ontologie, et pour qu elle puisse répondre aux besoins de conceptualisation, nous nous appuyons sur la proposition de Maedche et Staab [115], qui stipule qu une ontologie doit contenir les éléments suivants : des concepts, un lexique, des relations, et des axiomes. Dans ce travail, nous mettons l accent principalement sur les concepts et leurs relations, en exploitant leurs spécificités dans le domaine des risques naturels Les concepts Les concepts constituent la partie intégrante de toute ontologie, et sont également l élément principal pour transcrire les termes retrouvés dans le domaine des risques naturels. La présente ontologie identifie en priorité les cinq catégories de concepts suivants : les éléments exposés, le territoire, les phénomènes exposés, le risque, et les relations d effets et d impacts, puisqu ils sont représentatifs à la fois du domaine, et des activités reliées aux risques comme les opérations de secours, et de réhabilitations (voir figure 4.11). Les éléments exposés et la vulnérabilité : Les éléments exposés, ou les enjeux représentent tous les éléments du territoire menacés par un phénomène naturel. Dans cette catégorie se retrouvent les descriptions sur les personnes, les biens, les activités, les moyens, les bâtis, les réseaux hydrographiques, les occupations du sol, etc. Ces descriptions sont complétées par des informations du type localisation, délimitation, hauteur du bâtiment, nature de l occupation, etc. La vulnérabilité exprime le niveau de conséquences prévisibles d un phénomène naturel sur les éléments exposés. On distingue les vulnérabilités économique et humaine (sociales, psychologiques, culturelles, etc). Les phénomènes et leurs caractéristiques : Un phénomène est une manifestation, spontanée ou non, d un agent naturel ou non. Les phénomènes sont composées principalement de deux catégories : naturelle et

108 4.4 Proposition d une ontologie pour les risques naturels technologique. Ces descriptions de phénomènes sont accompagnées d informations en fonction de la nature de chaque phénomène. Par exemple pour le phénomène inondation, les termes descriptifs sont la hauteur de l eau, la vitesse, et l extension. Le territoire et sa description : Les termes décrivant le territoire font référence aux descriptions comme la géologie, l altimétrie, et la topographie. Cadastre Réseaux Élément exposé Routes Occupation du sol Ontologie 2 Ontologie 1 Inonde Géologie détruit déforme MNT Territoire Affecte Inondations Tempête Déclenche Déclenche Phénomènes Avalanches Glissements de terrain Indice d occupation Ontologie 3 Fig L interaction entre les éléments dans l ontologie Le risque et ses définitions : Les termes utilisés dans la description des risques sont souvent la principale confusion dans le vocabulaire utilisé par les acteurs du domaine. Ainsi, le terme risque cache de nombreux autres termes comme l aléa, le hazard, la catastrophe, risque majeur, risque naturel, etc. Une structuration de ces termes et des liens qui les relient est une tâche importante pour remédier au problème de la confusion. Les effets et les impacts des risques sur les éléments vulnérables : L impact des phénomènes sur les éléments exposés est modélisé dans cette catégorie. Il s agit d identifier et de représenter les relations qui peuvent exister entre les phénomènes et les éléments exposés : les bâtiments, les rivières, les activités, etc. Nous détaillons par la suite une relation particulière, à savoir, Affecte. La figure 4.12 montre quelques exemples de concepts modélisés dans l ontologie Les relations entre les concepts Dans cette section, par relation, nous référons aux éléments suivants : A. Les relations comme des relations sémantiques Elles reflètent les relations sémantiques entre les concepts à un niveau lexique. Les exemples de ce type de relations sont hyperonyme/hyponyme, meronyme/holonyme (voir table 4.2). Ces relations sont très présentes dans les ontologies terminologiques comme WordNet [89]. Les hypernymes comptent pour des relations est-un / est type de. Par conséquent, cette relation permet d accéder, grâce aux mécanismes de subsomption, aux concepts supérieurs. Au contraire, l hyponyme permet de réaliser la même

109 4.4 Proposition d une ontologie pour les risques naturels Fig Quelques exemples de concepts modélisés dans l ontologie relation mais dans un sens opposé : la relation de sous-concept. Les deux relations offrent le nécessaire pour créer une hiérarchie de concepts (taxonomies). B. Les relations comme des propriétés sémantiques Ceci concerne les propriétés des concepts dans l ontologie et les valeurs qu elles prennent. Les propriétés sont difficiles à attribuer aux concepts. Nous distinguons dans cette catégorie les propriétés spatiales (la forme, la localisation, l orientation, les prédicats de connections, les relations partie-de, etc) et non spatiales. Exemple : Bâtiment B est partie-de Parcelle P

110 4.4 Proposition d une ontologie pour les risques naturels Type de relation Relation Signification Commentaire Exemple Relations non- synonyme Deux termes avec un sens sens identique pluie est-synonymede Hiérarchiques unique précipitation antonymie Deux termes avec un sens opposition protégé estantonyme-de opposé Hiérar- Relations chiques hyperonyme Y est hyperonyme de X, si chaque X est un type de Y hyponyme Y est un hyponyme de X, si chaque Y est un type de X holonyme Y est un holonyme de X, si X est une partie de Y meronyme Y est meronyme de X si Y est une partie de X vulnérable type/sous-type Phénomène esthyperonyme-de Glissement de terrain sous-type/type Glissement de terrain est-hyponymede Phénomène tout/partie Maison estholonyme-de Toit partie/tout Toit est-méronymede Maison Tab. 4.2 Exemples de relations sémantiques entre les concepts Les relations entre les concepts relatifs aux risques Dans cette section, on retient, parmi les relations qui sont intéressantes dans notre contexte, la relation Affecte 12, et Déclenche. La première relation nous renseigne sur la lien qui peut exister entre un concept phénomène naturel et un autre élément exposé. Cette relation est vérifiée si les extensions géographiques des deux concepts s intersectent. Surface(Inondations) INTERSECT Surface(Bâtiment) => Inondations Inonde Bâtiment. où Surface() représente la fonction qui retourne l extension géographique. La relation Affecte se décompose en plusieurs relations en fonction du phénomène considéré et de l élément exposé pris en considération (voir figure 4.14). L intérêt de modéliser cette relation particulière est de répondre à des questions du type : Comment un phénomène naturel affecte-t-il un élément exposé? La décomposition de cette relation permet de renseigner sur toutes les manifestations d un phénomène sur un enjeux particulier, en prenant en considération les éléments à différentes granularités. Par exemple : dans la figure 4.13, dans le cas du phénomène inondation, la relation Affecte est représentée par les deux relations : Inonde pour l élément Bâtiment, et Tue pour l élément Personne. De la même manière, pour le phénomène Avalanche, la relation Affecte se transforme en relation Détruit. La relation Déclenche est une autre relation spécifique qui peut relier à la fois deux concepts phénomènes (un phénomène déclenche un autre), ou un phénomène et un élément du territoire. 12 La relation Affecte a été initialement étudié par First Inter-Agency Digital Earth Working Group de la NASA [84], et dans le cadre de la construction des bibliothèques numériques. L objectif était d étudier, tout en restant dans la simplicité, la décomposition des relations entre les éléments de l ontologie

111 4.4 Proposition d une ontologie pour les risques naturels Élément exposé Personne Tue Bâtiment Inonde!" Vulnérabilité Protection Matériaux construction #$%&$'()*+ Exposition Territoire MNT Géologie,-./ / Localisation Pertes 678" facteur Phénomène Inondation 678" Fig Les relations entre les concepts de l ontologie Date Nom... Avalanches Liens entre relations Cette notion conduit à la construction d une hiérarchie entre les relations. Nous distinguons dans cette catégorie les relations spatiales et non spatiales. Généralement les relations spatiales peuvent être regroupées dans une hiérarchie. Une relation topologique entre deux régions dans un espace tri-dimensionnel est basée sur la comparaison de l intérieur, la limite, et l extérieur de la région avec ceux d autres régions. D autres extensions de cette hiérarchie sont retrouvées dans le concept de mereotopologie [115] qui regroupe à la fois les relations spatiales topologiques et les relations de partie-de Définition Soient A un concept phénomène, et B un concept élément exposé. Considérons les ensembles suivants : EnsembleFonctions = {surface, localisation, temps, taille, magnitude, hauteur, profondeur} : Cet ensemble représente les fonctions qui peuvent être utilisées dans les relations. EnsembleOperations = {<, >, =, <=, >=, Intersecte} : Cet ensemble définit les opérateurs relationnels qui sont utilisés. EnsembleRelations = {Détruit, Inonde, Tue,...} : Cet ensemble définit les sous relations qui sont utilisées, et qui sont relatives à un phénomène particulier et à un élément exposé donné. A Affecte B, si est seulement si : au moins un des sous composants de A est relié par une sous relation de EnsembleRelations avec le concept B ou un de ses composants, et si au moins une fonction de EnsembleFonctions de A est reliée par un opérateur de EnsembleOperations à une autre fonction de EnsembleFonctions de B

112 4.4 Proposition d une ontologie pour les risques naturels Affecter Endommager Déclencher E_direct E_Indirect Detruire A_Préjudice Modifier_ Territoire Coût_secours Interrompre_activité D_Total D_Partiel M_Géologie Couper_Communications A_P_Physique M_Altitude A_P_Morale M_Riviere A_P_Tuer A_P_Blesser Fig Hiérarchie de la relation Affecte Exemple : Les exemples suivants montrent l interaction entre les relations Endommage et Détruit et la relation Affecte : - Surface(Avalanche) Intersecte Surface(Bâtiment), et Vitesse(Couloir-Avalanche) > 30 km Avalanche Endommage Bâtiment. Avalanche Affecte Bâtiment. - Surface(Avalanche) Intersecte Surface(Bâtiment), et Vitesse(Couloir-Avalanche) > 30 km, et Hauteur(Avalanche) > 6m, Avalanche Détruit Bâtiment. Avalanche Affecte Bâtiment La construction de l ontologie pour la gestion des risques naturels Uschold [124] a proposé une méthodologie de construction d une ontologie en quatre étapes. La première, fondamentale, consiste à définir l usage futur qui sera fait de l ontologie. Dans notre contexte, l ontologie doit permettre d exploiter des connaissances nécessaires à la gestion des risques naturels, et de servir comme vocabulaire unifié à la description et à l annotation du corpus documentaire sur les risques naturels. La deuxième étape consiste à construire l ontologie : identifier les concepts et les relations du domaine et transcrire ces notions dans un formalisme. Enfin, l ontologie produite doit être évaluée et documentée. La construction de l ontologie consiste à identifier les concepts et les relations du domaine des risques naturels, à réaliser des regroupements sémantiques, à donner à tous ces composants une définition et enfin à les nommer. Pour l ontologie du domaine des risques naturels, dans un premier temps, nous avons modélisé en tant que concepts les différents éléments sémantiques intervenant dans la procédure de gestion des risques naturels : les phénomènes naturels, les enjeux, les impacts des phénomènes sur les enjeux, la vulnérabilité des enjeux. Cette liste peut être étendue pour contenir d autres axes, tout aussi importants dans la procédure de gestion, comme les concepts utilisés dans les phases de l évacuation et de la reconstruction. Plusieurs phénomènes ont été pris en compte dans l ontologie. Cinquante concepts sont utilisés pour décrire

113 4.4 Proposition d une ontologie pour les risques naturels ces phénomènes, et qui ont été regroupés sémantiquement dans des familles de phénomènes en fonction de leurs facteurs de prédisposition (les phénomènes d origine atmosphériques, par exemple, sont les cyclone, les trombes, et les tempêtes). Rappel : On rappelle que le langage utilisé pour la description des éléments de l ontologie est OWL (voir Section 4.4.1), et qu une ontologie OWL est un graphe RDF, lequel, à son tour, est un ensemble de triplets RDF. La syntaxe d échange normative OWL est RDF/XML, et les formats XML et RDF font partie du standard OWL. Le langage OWL a été conçu pour une compatibilité maximale avec RDF et le schéma RDF. <owl:class rdf:id="cyclone_ouragan"> <rdfs:subclassof rdf:resource="#phénomènes_liés_à_latmosphère"/> </owl:class> <owl:class rdf:id="trombes"> <rdfs:subclassof rdf:resource="#phénomènes_liés_à_latmosphère"/> </owl:class> <owl:class rdf:id="temp^ete_et_grains"> <rdfs:subclassof> <owl:class rdf:about="#phénomènes_liés_à_latmosphère"/> </rdfs:subclassof> </owl:class> Dans un deuxième temps, afin de pouvoir modéliser toutes les connaissances du domaine des risques naturels, il est nécessaire de créer des relations autre que la hiérarchie entre les concepts. Ces relations peuvent être du type disjonction entre deux concepts (Par exemple, un phénomène instance du concept PhénomèneDommageable ne peut pas être une instance du concept PhénomèneNonDommageable) <owl:class rdf:id="phénomènedommageable"> <owl:disjointwith> <owl:class rdf:about="#phénomènenondommageable"/> </owl:disjointwith> </owl:class> D autres relations sont également possibles à exprimer entre les concepts comme l intersection ( ), l union ( ), etc Un concept Les concepts définissent les noms des termes intéressants et leurs caractéristiques logiques. Exemple Dans cet exemple, nous déclarons le concept Lahars comme étant un sous-concept de EruptionVolcanique

114 4.4 Proposition d une ontologie pour les risques naturels <owl:class rdf:id="lahars"> <rdfs:subclassof> <owl:class rdf:about="#eruptionvolcanique"/> </rdfs:subclassof> </owl:class> A. Expression des contraintes sur les concepts Contraintes sur les valeurs : owl :allvaluesfrom définit un ensemble d individus, pour lesquels toutes les valeurs de la propriété concernéee, sont des instances d un concept. En logique de description, elle est représentée par ( R.C) Exemple : A-Causé Perte owl :somevaluesfrom définit un ensemble d individus qui ont au moins une relation avec une instance d un concept. En logique de description, elle est représentée par ( R.C) Exemple : A-Causé Victime Contraintes sur les cardinalités : owl :maxcadinality définit un ensemble d individus qui ont au plus N valeurs distinctes pour la propriété concernée. En logique de description, elle est représentée par ( nr) Exemple : A-Occurence 1 (au plus une valeur) owl :mincadinality définit un ensemble d individus qui ont au moins N valeurs distinctes pour la propriété concernée. En logique de description, elle est représentée par ( nr) Exemple : A-Occurence 1 (au moins une valeur) owl :cadinality définit un ensemble d individus qui ont exactement N valeurs distinctes de la propriété concernée. En logique de description, elle est représentée par (=nr) Exemple : A-Occurence = 1 (exactement une seule valeur) B. Les axiomes sur les concepts 1. Expressions d équivalences : Equivalence de concepts : deux concepts C et D sont équivalents, si toutes les déclarations qui définissent C définissent aussi D, et toutes les déclarations de D définissent C. Dans ce cas, tous les individus de C sont aussi des individus du concept D. Dans ce dernier cas, il peut être intéressant de l utiliser pour relier deux vocabulaires différents. 2. Expressions des concepts complexes : il est possible de créer des concepts complexes en utilisant les constructeurs de OWL. Ces constructeurs sont l intersection ( ), l union ( ), et le complément ( )

115 4.4 Proposition d une ontologie pour les risques naturels Intersection on peut définir un concept comme un ensemble d individus qui remplissent toutes les spécifications déclarées comme composantes de l intersection. En logique de description, un concept qui est défini comme l intersection de concepts primitifs ou complexes, est représenté par : C A 1... A m D 1... D n. où A i est un concept primitif, et D j est un concept complexe. Union l utilisation de cette primitive permet de définir un ensemble d individus qui remplissent toutes les spécifications déclarées par les composantes de l union. En logique de description, un concept qui est défini comme l union de concepts primitifs ou complexes, est représenté par : C A 1... A m D 1... D n. Complement elle inclut tous les individus qui ne sont pas membres de l extension du concept. le complément de C est C Les deux tables suivantes résument la syntaxe utilisée dans les expressions OWL (table 4.3 et 4.4). Element-OWL Symbole Exemple OWL : allvaluesfrom A-Causé Perte OWL : somevaluesfrom A-Causé Victime OWL : mincardinality A-Occurence 1 (au moins une seule valeur) OWL : maxcardinality A-Occurence 2 (au plus une seule valeur) OWL : cardinality = A-Occurence = 1 (exactement une seule valeur) OWL : intersectionof PhenomeneHydrologique PhenomeneGéologique OWL : unionof PhenomeneDynamique PhenomeneMorphologique OWL : complementof PhenomeneDommageable OWL : oneof {...} {Null, F aible, Moyen, F ort} Tab. 4.3 Exemples de concepts avec la syntaxe OWL Ces constructeurs permettent largement de décrire les concepts non spatiaux de l ontologie. Pour prendre en compte les autres concepts spatiaux, inhérents à la gestion des risques naturels, d autres constructeurs entre concepts sont nécessaires, comme ceux permettant de décrire les relations : à l intérieur de, à l extérieur de, adjacent, touche, et les autres relations topologiques (voir [56] pour la proposition de deux constructeurs en logique de descriptionin et intersect). Element-OWL Symbole Exemple OWL : SubClassOf Phénomène-Dommageable Phénomène OWL : SameClassAS (Phénomène Ph-Dommageable Ph-Non-Dommageable) Tab. 4.4 Exemples d axiomes avec la syntaxe OWL

116 4.4 Proposition d une ontologie pour les risques naturels Expression des rôles Exemple Dans cet exemple, nous déclarons que le concept Image peut avoir comme attribut (rôle mono-valué) Résolution. <owl:datatypeproperty rdf:id="résolution"> <rdfs:range rdf:resource=" <rdfs:domain rdf:resource="#image"/> </owl:datatypeproperty> Déclaration des individus Ce sont des instances des concepts avec des valeurs spécifiques pour les propriétés. Exemple Dans cet exemple, nous déclarons une occurrence du phénomène dommageable Avalanche : Alaska. <PhénomèneDommageable rdf:id="d_alaska"> <date_occurance>1982</date_occurance> <date_occurance>1961</date_occurance> <rdfs:comment> Le Bois de la Balme, orienté au nord-est, est clairsemé de mélèzes et de quelques épicéas. Il comprend 2 zones de caractéristiques voisines qui ne diffèrent que par la fréquence de leurs avalanches </rdfs:comment> <date_occurance>1970</date_occurance> <Durée>1h</Durée> <Concèrne> <Avalanche rdf:id="alaska"/> </Concèrne> <date_occurance>1968</date_occurance> <date_occurance>1978</date_occurance> <date_occurance>1960</date_occurance> <Secteur>Bois de la Balme</Secteur> <date_occurance>1996</date_occurance> </PhénomèneDommageable> Expression de la relation de spécialisation Un concept dénote un ensemble d individus. Le concept correspondant à l ensemble de tous les individus est généralement appelé Top ( ), ou Thing. Deux concepts A et B sont reliés par une relation de spécialisation (inclusion) si l ensemble des individus de B est un sous-ensemble de l ensemble des individus du concept A, B est alors appelé un sous-concept de A :

117 4.4 Proposition d une ontologie pour les risques naturels On note B A. Tous les concepts sont des sous concepts de. Par exemple : Phénomène-Dommageable Phénomène Une paire d inclusion sous la forme de {B A, A B} est souvent écrite sous la forme A B. Cette assertion est appelée une assertion d équivalence Les conditions nécessaires pour la définition des concepts Les conditions nécessaires permettent de spécifier les propriétés que le concept doit remplir. Ceci est important pendant la construction d une ontologie, car on ne veut pas, par exemple, se limiter à décrire un phénomènedommageable comme étant un type de phénomène, mais aussi de représenter ce qui est spécifique dans phénomène-dommageable, par opposition aux autres phénomènes. Par exemple : Un phénomène-dommageable est un phénomène qui cause des pertes, Par conséquent, à l expression initiale phénomène-dommageable phénomène, il faut ajouter l expression : phénomène-dommageable A-Causé Perte Les conditions nécessaires et suffisantes pour la définition des concepts De façon similaire, on veut représenter le fait que deux concepts ont exactement les mêmes instances. Par exemple, puisque les phénomènes dommageables et non dommageables sont deux types de phénomènes. On a la condition suivante : Phénomène-Dommageable Phénomène. Phénomène-Non-Dommageable Phénomène. Cependant, on veut exprimer également qu un phénomène ne peut être qu un phénomène dommageable ou non dommageable. Ainsi, on peut utiliser la condition nécessaire et suffisante : (Phénomène-Dommageable Phénomène-Non-Dommageable) Phénomène L hypothèse du monde ouvert La logique de description utilise l hypothèse du monde ouvert, ce qui signifie que ce qui n est pas déclaré, est un manque de connaissance (alors que dans d autre contextes, bases de données par exemple, ce qui n est déclaré, est supposé faux). Par exemple, si on ne déclare pas que les deux concepts Phénomène-Dommageable et Phénomène-Non-Dommageable sont disjoints, alors on peut en conclure qu ils peuvent avoir une intersection non vide La classification et la vérification de consistance L un des plus importants avantages d un langage logique comme OWL, est qu il supporte des raisonnements. Dans notre contexte, le raisonnement signifie l inférence d une nouvelle connaissance à partir des assertions faites par le concepteur de l ontologie. Les raisonneurs sont des outils qui prennent pour entrée l ontologie, et y appliquent des mécanismes de raisonnement. Durant la conception de l ontologie, les mécanismes de raisonnement les plus intéressants sont : la classification et la vérification de consistance

118 4.4 Proposition d une ontologie pour les risques naturels La classification La classification est utilisée pour inférer des relations de spécialisation entre les concepts à partir de leurs définitions formelles. Le classifieur prend la hiérarchie de concepts avec les expressions logiques, et retourne une nouvelle hiérarchie, qui est logiquement équivalente à la hiérarchie d entrée. La vérification de la consistance En plus de la classification automatique, les outils de raisonnement peuvent être utilisés pour détecter les inconsistances logiques dans l ontologie. On peut définir un concept phénomène inconsistant, qui est à la fois Phénomène-Dommageable et Phénomène-Non-Dommageable. Phénomène-Dommageable Phénomène-Non-Dommageable Puisque les deux derniers concepts sont définis comme étant disjoints, le raisonneur reporte qu aucun individu ne peut être une instance commue à ces deux concepts. Cette vérification de consistance peut faciliter la conception, la construction, et la maintenance de l ontologie. Dans la suite, nous proposons un exemple d utilisation de l ontologie sur les risques pour la description des ressources relatives aux risques naturels L ontologie pour les ressources sur les risques naturels Pour décrire les documents sur les risques naturels, nous avons défini une ontologie qui, en plus de fournir le vocabulaire nécessaire pour décrire les termes employés dans la gestion des risques naturels, décrit le concept Document avec deux propriétés : Format qui fournit le format du document (un document word, excel, lotus, jpeg), et Date de création qui renseigne sur la date de création du document. Le concept Document est ensuite spécialisée en plusieurs sous concepts : Image, BD, Vidéo, Audio, Carte, Plan, Archive, Texte. Ces concepts possèdent une propriété particulière qui renvoie aux termes définis dans l autre partie de l ontologie relative à la gestion des risques naturels. Cette propriété est Contenu, qui assure le lien entre les concepts Document et les concepts relatifs aux risques. Cette propriété peut être utilisée par un agent intelligent pour effectuer des recherches Implantation de l ontologie avec Protégé 3.0 L ontologie a été réalisée avec l outil Protégé 3.0 développée à l université de Stanford. Fig Le concept document Protégé 3.0 [63] est un outil de modélisation et d acquisition de connaissances. Il est compatible avec le protocole OKBC 13 et permet ainsi une bonne interopérabilité avec d autres outils de gestion des connaissances. 13 Open Knowledge Base Connectivity

119 4.4 Proposition d une ontologie pour les risques naturels Fig Interface graphique de protégé montrant certains concepts modélisés dans l ontologie En outre, Protégé 3.0 est spécifiquement orienté pour la modélisation sous forme de frames, puisqu il reprend les structures de concepts, slots et facettes. De plus, il est possible d ajouter facilement des fonctionnalités à Protégé sous forme de plug-ins. Ces fonctionnalités supplémentaires relèvent aussi bien de la visualisation que de la manipulation des connaissances. Protégé permet également d utiliser les mécanismes de raisonnement proposés par RACER 14 [55] [65]. RA- CER est un système de représentation de connaissance qui implémente des techniques de raisonnement d une logique de description très expressive. Le système implémente la logique de description SHIQ. C est la logique de description de base ALC augmentée des restrictions sur le nombre de valeurs pour un rôle, des hiérarchies de rôles, des rôles inverses, et des rôles transitifs. La modélisation des connaissances sous Protégé 3.0 nous à conduit à créer 235 concepts, dont environ 114 spécifiquement dédiés à la connaissance du domaine, et 98 Slots (figure 4.18). Dans l état actuel, uniquement 11 instances ont été introduites dans l ontologie. Elles ont été introduites dans un premier temps dans le but de tester 14 Renamed ABox and Concept Expression Reasoner

120 4.4 Proposition d une ontologie pour les risques naturels Fig Déclaration des instances des documents dans l ontologie l ontologie (figures )

121 4.4 Proposition d une ontologie pour les risques naturels Fig Les statistiques des éléments présents dans l ontologie Un extrait de l ontologie Dans ce qui suit, nous présentons un extrait de l ontologie conçue avec protégé 3.0 pour représenter les concepts relatifs à la gestion des risques naturels. Le contenu complet de l ontologie est présenté dans l annexe B. Bien que la sémantique de OWL est partiellement basée sur la logique de description, sa syntaxe est une extension de RDF. Nous allons donc présenter le contenu de l ontologie en utilisant la syntaxe RDF. <?xml version="1.0"?> <rdf:rdf... xmlns:rdf=" xmlns:rdfs=" xmlns:owl=" </owl:ontology> <owl:class rdf:id="texte_reglementaire"> <rdfs:label xml:lang="en">texte Réglementaire </rdfs:label> <rdfs:subclassof> <owl:class rdf:id="document"/> </rdfs:subclassof> </owl:class> <owl:class rdf:id="zones_administratives"> <rdfs:subclassof> <owl:class rdf:id="enjeux"/> </rdfs:subclassof> </owl:class> <owl:class rdf:id="perte"/> <owl:class rdf:id="zones_ecologiques"> <rdfs:subclassof rdf:resource="#enjeux"/> </owl:class> <owl:class rdf:id="cadastre"> <rdfs:subclassof rdf:resource="#enjeux"/> </owl:class> <owl:class rdf:id="mouvement_de_terrain"> <rdfs:subclassof> <owl:class rdf:id="phénomènes"/> </rdfs:subclassof> </owl:class> <owl:class rdf:id="débordement_lent"> <rdfs:subclassof>