Présentation des SIG. Systèmes d Information Géographique

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1 Présentation des SIG Systèmes d Information Géographique Enseignant:

2 Plan du cours Généralités et concepts de base Localisation de l information dans l espace Les données dans un SIG Interrogation - Requêtes Applications des SIG Les SIG sur Internet La plupart des diapositives (sauf pour la partie «Localisation de l information dans l espace» viennent du cours d Olivier Tournaire, avec l autorisation de l auteur.

3 Plan du cours Généralités et concepts de base Définition Finalité Organisation Fonctionnalités

4 Définition : l information géographique Information géographique: Information relative à un objet ou à un phénomène décrit : par sa nature, son aspect, ses caractéristiques diverses, par sa localisation géographique. Une information est géographique si elle est localisable dans l espace. Les SIG (Systèmes d Information Géographique) exploitent ce type d information.

5 Dualité de la définition Aspect données Ensemble de données repérées dans l espace, structurées de façon à pouvoir en extraire commodément des synthèses utiles à la décision. Aspect informatique Système informatique de matériels, de logiciels, et de processus conçus pour permettre la collecte, la gestion, la manipulation, l analyse, la modélisation et l affichage de données à référence spatiale afin de résoudre des problèmes complexes d aménagement et de gestion.

6 Finalités d un SIG Informer sur la géographie d un espace donné Un SIG doit pouvoir répondre aux questions : Où? Qui / Quoi? Comment? Quand? Et si? Ces informations sont accessibles : directement (stockées dans la table) indirectement (par l intermédiaire de requêtes)

7 Où? Peut s exécuter sur un objet ou un phénomène: Où est la mairie? Où sont situées les zones inondables? Plus généralement, où se trouvent les objets d un même type? Mettre en évidence la répartition spatiale d un objet ou d un phénomène.

8 Qui / Quoi? Peut s exécuter sur un objet ou un phénomène: Que trouve-t-on à cette endroit? Quelle est la catégorie socioprofessionnelle majoritaire sur cette commune? Mettre en évidence les objets ou phénomènes présents sur un territoire donné.

9 Comment? Peut s exécuter sur un objet ou un phénomène: Comment a évolué le bâti de cette commune? Comment est organisée la circulation? Mettre en évidence des relations entre objets et/ou phénomènes (problématique de l analyse spatiale).

10 Quand? Peut s exécuter sur un objet ou un phénomène: Quand est entré en service ce tronçon de route? Quand a eu lieu la dernière crue? Mettre en évidence les évolutions d objets et/ou de phénomènes au cours du temps (problématique de l analyse temporelle).

11 Et si? Peut s exécuter sur un objet ou un phénomène: Combien d habitation seraient touchées par l élargissement de ce tronçon de route? Mettre en évidence les conséquences sur des objets et/ou des phénomènes d un scénario d évolution.

12 Du monde réel au SIG Le SIG est une représentation du monde réel. Pour passer du monde réel à sa représentation, on organise les données: selon leur thème, selon leur forme Une ville?

13 L organisation des données en couche Affichage sous forme de couches Chaque couche contient des objets d un même type (point, ligne, polygone) et d un même thème (réseau routier, bâti, hydrographie, limites administratives...) Chaque objets est décrit pas sa forme (géométrie) et sa sémantique (description)

14 Description géométrique des objets La géométrie est la description des objets : Par leur forme Par leur position Différents systèmes (longitude/latitude, X/Y,...) Un ou plusieurs points par objet Identification des objets sous différentes formes : Point (villes, adresse, poteau électrique,...) Ligne / polyligne (réseaux routier, hydrographique,...) Polygone (villes, communes, bâtiments,...)

15 Description sémantique des objets Une «fiche» est associée à chaque objet : Informations de type alphanumérique Description des objets (nom, identifiant,...)

16 Description sémantique des objets Stockage des informations attributaires = sémantiques liées à chaque objet Sous forme de tableaux ou tables attributaires une ligne = un objet = un enregistrement une colonne = un champ = un attribut Table attributaire Attributs (champs) enregistrements

17 Fonctionnalités d un SIG Fonctionnalités regroupées en 5 grandes familles («5A») : Abstraction Acquisition Archivage Affichage Analyse

18 Les «5A» : l Abstraction SIG : description du territoire donnant une information pour répondre à une problématique. Ces représentations reproduisent aussi fidèlement que possible la réalité en tenant compte de l objectif du SIG Abstraction = Mise en place du modèle conceptuel, des informations géométriques (comment va être représenté l objet) et sémantiques (quelles seront les caractéristiques enregistrées) nécessaires Passer du monde réel Abstraction À sa représentation Un exemple : les routes.

19 Les «5A» : l Acquisition C est l intégration des données dans le SIG. Cf Partie 3. Diverses sources: Source externe (achat, données gratuites) Numérisation Saisie 3 types de données : Raster Vecteurs Données non géométriques.

20 Les «5A» : l Archivage Stockage des données géométriques et attributaires Une seule machine Système de stockage Système de calcul Système de visualisation Partage sur plusieurs postes de visualisation Stockage sur plusieurs sites Système de stockage Système de calcul Système de visualisation Système de stockage et de gestion Système de visualisation et de traitement

21 Les «5A» : l Affichage Création de carte, export de données Sélection en fonction de la problématique Échelle Thèmes / couches Objets Symboles, légendes Support (papier ou numérique, formats SIG selon le logiciel utilisé par le client, carte interactive ou non, site Internet )

22 Les «5A» : l Analyse Mise en relation d objets localisés ayant certaines propriétés Analyse sémantique: sur les attributs des objets Analyse spatiale: proximité, taille Quelques exemples

23 Les «5A» : l Analyse Quelques exemples Analyse spatiale: recherche des bâtiments situés à moins de 50m de la N10

24 Les «5A» : l Analyse Quelques exemples Analyse spatiale et sémantique: Recherche des bâtiments situés à moins de 500m du cours d eau et dont la différence d altitude est d au plus 5m.

25 Plan du cours Généralités et concepts de base Localisation de l information dans l espace Les formes de la terre Les projections Les types de coordonnées Le géoréférencement

26 But: Localisation de l information dans l espace Associer à tout point de la surface terrestre un point unique sur une carte.

27 Les formes de la Terre Quelle est la forme réelle de la terre? Une sphère? Un ellipsoïde? Le géoïde? Représentations plus proche de la réalité Le géoïde est une des représentations de la terre qui se rapproche le plus de la réalité.

28 Le géoïde Le géoïde est une surface équipotentielle du champ de pesanteur terrestre proche du niveau moyen des mers, est la forme qu aurait la terre si elle était recouverte par les océans, est la surface de référence pour les mesures précises d'altitude: l altitude est l'éloignement d'un point par rapport au géoïde.

29 L ellipsoïde Mais besoin d une forme simple pour décrire mathématiquement la forme de la terre et réaliser des calculs l ellipsoïde (sphère aplatie aux pôles). Géoïde Ellipsoïde Un ellipsoïde est définie par: Son centre o Son demi grand axe a Son demi petit axe a et b permettent de calculer son coefficient d'aplatissement f=(a-b)/a b o a

30 Les ellipsoïdes De nombreux ellipsoïdes ont été définis pour approcher au mieux la surface de la Terre: Certains ellipsoïdes sont à référence locale: en fonction de la zone sur laquelle on travaille, on choisit un système de coordonnées géodésique qui minimalise l écart avec le géoïde. Ex: Clarke 1880 IGN pour la France D autres ellipsoïdes sont à référence globale (ou spatiale): on peut les utiliser sur l ensemble du globe. Ex: IAG GRS80

31 Représentations planes On utilise une représentation plane pour: Représenter sur une surface plane une portion d un modèle ellipsoïdal Obtenir des valeurs métriques plutôt qu angulaires Faciliter l évaluation des distances. Pour passer d une représentation sur l ellipsoïde à une représentation plane, on réalise une projection. Projection= Correspondance mathématique entre les points d'un ellipsoïde et les points du plan. Projection

32 Projections Projection d un ellipsoïde sur un plan introduit forcément des déformations On peut choisir de conserver: Les angles : Projection conforme Les aires : Projection équivalente Ni l un ni l autre projection aphylactique

33 Projections Trois grands modèles de projection: Cylindrique La surface de projection est un cylindre tangent ou sécant à la Terre. Conique La surface de projection est un cône tangent ou sécant à la Terre. Azimutale La surface de projection est un plan tangent à la Terre.

34 Exemple de projections Lambert I, II, III, IV (Lambert Zone) Projection conique conforme tangente. Pour minimiser les déformations, la France est divisée en 4 zones.

35 Exemple de projections Remarque: Lambert Carto Pour éviter la confusion entre les zones, on ajoute 1, 2, 3, ou 4 selon la zone correspondante devant les coordonnées Y. Ex: pour Y= on aura Y= en Lambert III Carto. Remarque 2: Lambert II Étendu = Lambert II Carto étendu à toute la France (l altération linéaire est croissante vers le Nord et le Sud)

36 Exemple de projections Lambert 93 Projection conique conforme sécante utilisable sur toute la France.

37 Exemple de projections UTM: Universal Transverse Mercator Projection cylindrique conforme tangente, couvre le monde entier en 60 fuseaux

38 Exemple de projections UTM: Universal Transverse Mercator La France est située au niveau des fuseaux 30, 31, et 32 Nord.

39 Les systèmes de coordonnées géodésiques Un système de coordonnées géodésique (appelé aussi datum) est défini par un ellipsoïde Un méridien d origine Un point fondamental (point pour lequel l ellipsoïde et le géoïde sont confondu) Un réseau géodésique, c est-à-dire un ensemble de points de références (bornes, piliers ), dont les coordonnées sont déterminées très précisément par des mesures. Une projection.

40 Les systèmes de coordonnées géodésiques et leur projection associée Exemple de systèmes de coordonnées géodésiques Système géodésique Projection Utilisation NTF (Nouvelle Triangulation Française) Lambert zone I, II, III, IV France, ancien système officiel RGF93 Lambert 93 France, nouveau système officiel ED50 (European Datum 50) UTM Europe WGS84 UTM Monde (GPS)

41 Trois types de coordonnées Coordonnées géocentrique (x, y, z) Coordonnées géographique (λ, ϕ) Coordonnées cartographique (E, N)

42 Les coordonnées géocentriques On peut définir un système d axes cartésien centré sur le centre de la Terre: le système de référence terrestre. Il permet de repérer tout point par 3 coordonnées: (x,y,z). Origine : centre de masse de la Terre Axe Z: axe de rotation de la terre, Axe X : passe par le méridien de Greenwich

43 Les coordonnées géographiques Mais les informations spatialisées seront plus souvent exprimées sous cette forme: Les coordonnées (λ, ϕ) d un point sont mesurées sur un ellipsoïde, ϕ est la latitude et λ la longitude.

44 Les coordonnées géographiques

45 Les coordonnées cartographiques Les coordonnées (E, N) résultent de la projection sur un plan des coordonnées (λ, ϕ) d un point de l ellipsoïde: E=f(λ, ϕ) et N=f(λ, ϕ), f dépend de la projection choisie.

46 Géoréférencement Géoréférencement: Opération qui consiste à attribuer à un ensemble de phénomènes les coordonnées géographiques permettant de définir leur position exacte, par rapport à un système de référence géodésique.

47 Plan du cours Généralités et concepts de base Localisation de l information dans l espace Les données dans un SIG Généralités Données raster Données vecteur Données non géométriques Métadonnées

48 Introduction - Généralités Deux modèles de données principaux Modèle raster (ou matriciel) matrice composée de cellules juxtaposées (pixels d'une image ou mailles d'une grille) correspondant chacune à une valeur. Modèle vecteur (vectoriel) les objets sont définis par leurs coordonnées x, y.

49 Les données raster Raster = Matrice de pixels correspondant chacun à une valeur. Images Images aériennes (et orthophotographie) Images satellites Cartes scannées Données continues MNE / MNT (altitude) Données de température Nuisance d un phénomène Indice de risque

50 Les données raster Origine : numérisation (scanner), image numérique, calcul d interpolation Exactitude de la représentation dépend de la taille du pixel Éléments essentiels : pixels (picture element) succession de points (un tableau) chaque pixel porteur d une information unique (couleur, indicateur,...)

51 Les données raster Orthophotographie - Amiens cm

52 Les données raster Extrait du SCAN25 sur Paris

53 Les données raster MNT (Modèle numérique de Terrain) = Altitude du sol MNE (Modèle numérique d élévation) =hauteur des bâtiments

54 Les données raster Raster : données globales Fournissant des informations visuelles Pas d accès direct aux éléments visibles Nécessité d une interprétation pour lier l image à un objet du territoire Analyse visuelle Traitement d image (segmentation, vectorisation,...) Visuellement très communicatif (information globale)

55 Les données raster Complémentaire des autres données (superposition avec du vecteur) Peut permettre de créer des données vecteur par numérisation de données à l écran.

56 Les données vecteur Informations sous forme de coordonnées Particulièrement utilisées pour des données discrètes Trois grands type d objets : Point : (X,Y) Ligne/polyligne : (X,Y) de chaque nœud Polygone : (X,Y) chaque sommet

57 Les données vecteur Le point, avec ses coordonnées est porteur de l information géométrique. Les données vectorielles sont la plupart du temps issues d une numérisation (table à numériser, ou à l écran) ou d une saisie semiautomatique. Les trois types de vecteurs (points, lignes et surfaces) sont représentées dans des couches différentes. Avantage : association immédiate entre l objet géographique et l information le décrivant.

58 Les données vecteur polygones

59 Les données vecteur polygones + polylignes

60 Les données vecteur polygones + polylignes + points

61 Les données vecteur raster + polygones + polylignes + points

62 Vecteur VS Raster Conversion Vecteur Raster Vecteur Raster: perte de précision

63 Vecteur VS Raster Raster Vecteur Avantages Inconvénients Qualité visuelle Rapidité de calcul sur de grandes surfaces Demande beaucoup de mémoire Difficultés de représentation des linéaires Perte de précision quand on passe de vecteur à raster Peu de mémoire Facilité de superposition des Couches Précision de la localisation Difficulté de représentation des phénomènes continus Complexité des fonctions d analyse spatiale: calculs plus longs

64 Vecteur VS Raster Raster Convient bien aux études de phénomène régionaux ou globaux Vecteur Projet demandant la localisation exacte des données Échelle locale Complémentaires

65 Les données non géométriques Tableau de données: différence entre un logiciel de DAO et un SIG... Distinctes des informations graphiques (position et forme des objets physiques) Portent généralement sur les biens, les services, les personnes Classe d un bâtiment (sportif, administratif,...) Type d entreprise, services collectifs Description d une population (classe d âge, profession,...) Indicateurs divers (environnement,...) Deux types principaux Les attributs des objets Les statistiques

66 Les données non géométriques Données attributaires Informations se rapportant à des objets ou des phénomènes ayant : Une localisation fixe Une forme fixe Table attributaire Attributs (champs) enregistrements Identifiant unique = clé primaire

67 Les données non géométriques Données statistiques Informations se rapportant à des entités : Mobiles Immatérielles Peuvent être calculées à partir des données attributaires.

68 Les métadonnées Métadonnées Données sur les données Dictionnaire des fichiers de données disponibles Informe l utilisateur sur les caractéristiques, les précautions d emploi à respecter

69 Plan du cours Généralités et concepts de base Localisation de l information dans l espace Les données dans un SIG Interrogation - Requêtes SQL

70 Introduction SQL (Structured Query Language) est un langage permettant de manipuler et d interroger les données. On l utilise par exemple dans le logiciel MapInfo. Commande principale : SELECT (algèbre relationnelle) SELECT <liste des noms de colonnes> FROM <liste des noms de tables> WHERE <condition>

71 Sélection simple Sélectionner tout Select * From Arbres Sélection de colonnes Select Espèce,EtatPhytoSanitaire From Arbres

72 Les opérateurs opérateur de restriction WHERE Opérateurs logiques AND OR NOT Comparateurs de caractères LIKE Opérateurs arithmétiques + - * % Comparateurs arithmétiques =!= > < >= <= <>!>!<

73 Sélection sur critères Sélection sur un critère Select * From Arbres Where AnnéeDePlantation < 1970 Sélection multi-critère Select * From Arbres Where AnnéeDePlantation > 1800 And AnnéeDePlantation <= 1900 Sélection multi-critère Select * From Arbres Where EtatPhytoSanitaire = "Malade" And Zone = «Z3»

74 Sélection puis ordonnancement Ordonancement simple Select * From Arbres Order By Espèce ASC (ASC=ascendant = par défaut, DESC=descendant) Ordonancement multiple Select * From Arbres Order By Espèce ASC, AnnéeDePlantation ASC

75 Sélection sur chaînes de caractères Avec des caractères joker Ex: Espèces dont la deuxième lettre est un "h" Select * From Arbres Where Espèce Like "_h%" Sélection dans un ensemble de valeurs Select * From Arbres Where Espèce In ("Micocoulier", "Myosotis")

76 Sélection distincte Select Espèce From Arbres Group By Espèce

77 Regroupement des résultats Avec la clause GROUP BY AVG COUNT MAX MIN SUM Permet d effectuer des statistiques sur les résultats de requêtes Compter le nombre d arbres sains et malades (avec création d une colonne "NbArbres") Select EtatPhytoSanitaire, count(*)"nbarbres" From Arbres Group By EtatPhytoSanitaire

78 Regroupement des résultats Compter le nombre d arbres sains et malades par espèce et trier par nom d espèce Select Espèce, EtatPhytoSanitaire, count(*)"nbarbres" From Arbres Group By Espèce, EtatPhytoSanitaire Order By Espèce Asc

79 Jointure Jointure: lien entre deux tables Nécessité d une colonne en commun En SQL : préciser le nom des colonnes des tables sur lesquelles on fait la jointure avec le qualificatif WHERE

80 Jointure Sélection des espèces et des états phytosanitaires dans la table Arbres et des noms de techniciens dans la table ZoneTechnicien La jointure se fait sur la colonne Zone qui est commune aux deux tables Select Arbres.Espèce, Arbres.EtatPhytoSanitaire, Zone_Technicien.Technicien From Arbres, Zone_Technicien Where Arbres.Zone = Zone_Technicien.Zone

81 Les opérateurs spatiaux Opérateurs spécifiques aux SIG Requêtes sur les objets Contains : A "contains" B, le centroïde de B est dans A Within : B "within" A, le centroïde de B est dans A Contains entire : A "contains entire" B, B est dans A Entirely within : B"entirely within" A, B est dans A Intersects : A "intersects" B, A et B sont d intersection non nulle B A B A A B

82 Les opérateurs spatiaux Les requêtes spatiales se font grâce à l attribut Obj Fonctions sur les objets ObjectLen Perimeter Centroid Area...

83 Les opérateurs spatiaux Sélection des bâtiments de plus de 1000 m2 Select * from BATIMENT where Area(BATIMENT.obj, "sq m") > 1000

84 Les opérateurs spatiaux Sélection des bâtiments qui intersectent une limite communale Select * from BATIMENT, lim_adm_france_dom where BATIMENT.Obj Intersects lim_adm_france_dom.obj

85 Plan du cours Généralités et concepts de base Localisation de l information dans l espace Les bases de données géographiques Les données dans un SIG Interrogation - Requêtes SQL Applications des SIG

86 Introduction Polyvalence des SIG ne permet pas de dresser une liste exhaustive de leurs applications Deux approches Type de territoire (local / international) Domaine d application (SIG à caractère thématique)

87 Application des SIG Type de territoire

88 Niveau communal et urbain Historiquement les premiers à mettre en place des SIG Trois fonctions principales Localisation des objets et des événements Aide aux interventions opérationnelles Études...

89 Exemple de SIG communal SIG de la ville de Nice en ligne

90 Niveau départemental Gestion des compétences territoriales Gestion du territoire Patrimoine foncier Transports départementaux...

91 Exemple de SIG départemental SIG du département du Var en ligne

92 Niveau régional Par vocation, vision plus synthétique des territoires Notamment mise en place d observatoires régionaux Environnement Eaux Assainissement...

93 Niveau national Très rares : difficulté de gérer l ensemble des objets et / ou des phénomènes localisés au niveau d un état Peut se rencontrer dans de petits états (par ex., le Danemark : SIG à base cadastrale) Autres exemples: Gestion forestière en Suède Intervention de la police en Norvège...

94 Niveau international Très rares comme les SIG nationaux : peu de SIG polyvalents - SIG sectoriels Niveau européen Eurostat : SIG organisé en 2 bases distinctes Fichiers de référence (cours d eau, unités statistiques,...) Fichiers thématiques (sol, industries, environnement,...) Niveau mondial : principalement au niveau de l ONU Programme des NU pour l environnement Réfugiés...

95 Application des SIG Type de territoire Domaine d application

96 Géomercatique (Géomarketing) Brasse énormément d infos : ventes, clients, prospects, points de vente ou d implantation... Le coeur de ces infos est géographique : adresses, zones de chalandise, tournées de prospection ou de livraison... Études d implantation : clientèle potentielle, accessibilité... Couplage avec des données démographiques

97 Gestion des services d urgence Sapeurs-Pompiers Prévision : zones à risques, plan de secours, inventaires des moyens... Décision opérationnelle : implantation des différents centres, mouvements de matériels... Itinéraires d intervention, localisation des véhicules en temps réel Gendarmerie et Police Gestion de flottes Analyse statistique

98 Gestion de réseaux Planification d une extension, gestion courante (eau, assainissement, distribution électrique, téléphone, routes...) Simuler / estimer le coût d extension en fonction de contraintes techniques et géographiques (maximisation des dessertes, débits à prévoir...) Maintenance préventive ou curative

99 Transports Calcul et optimisation d itinéraires : le plus court, le plus rapide, coût du trajet Navigation embarquée Suivi de flotte

100 Gestion de l environnement et agriculture Environnement Applications multiples et illimitées : inventaires des espèces animales ou végétales, nature des sols, gestion des pollutions, analyses d impact... Comparaison de répartitions de phénomènes Suivi de migrations Exploitation rationnelle des ressources forestières Agriculture Modélisation précise de l occupation des sols et de leur exploitation Taille de l exploitation : subventions Prévision des quantités de semences ou de produits phytosanitaires

101 Gestion des arbres à Paris

102 Plan du cours Généralités et concepts de base Localisation de l information dans l espace Les bases de données géographiques Les données dans un SIG Interrogation - Requêtes SQL Applications des SIG Les SIG sur Internet

103 Données libres ads/height/dhm25.html

104 Logiciels libres Grass QuantumGIS

105 Outils libres Avec Arcgis: Hawths tools Xtoolspro Xtools ls31fr/xtools31fr.html GeoTools

106 Forum

107 Références bibliographiques R. Brunet, R. Ferras, H. Théry Les mots de la géographie - Dictionnaire critique Reclus - La Documentation Française, 1992 C. Bouveyron Guide des SIG Hermes Science Publication, 1993 J.P. Donnay Conception de SIG Hermes Science Publication, 1997 Collectif Conception des SIG sur l Environnement Hermes Science Publication, 1997 Collectif Les données dans les SIG Hermes Science Publication, 1991