Introduction aux Systèmes d'Information Géographique (SIG) PDF

Introduction au SIG (Système d’Information Géographique) I.1 DEFINITIONS Un système d’information géographique (SIG) est un système informatique permettant à partir de diverses sources, de rassembler et organiser, de gérer, d’analyser et de combiner, d’élaborer et de présenter des informations loca...

Introduction au SIG (Système d’Information Géographique) I.1 DEFINITIONS Un système d’information géographique (SIG) est un système informatique permettant à partir de diverses sources, de rassembler et organiser, de gérer, d’analyser et de combiner, d’élaborer et de présenter des informations localisées géographiquement contribuant notamment à la gestion de l’espace. Un système d’information géographique est aussi un système de gestion de base de données pour la saisie, le stockage, l’extraction, l’interrogation, l’analyse et l’affichage de données localisées. C’est un ensemble de données repérées dans l’espace, structuré de façon à pouvoir en extraire commodément des synthèses utiles à la décision. Un système d’information géographique, comme le monte la figure 1.1, est un ensemble d’équipements informatiques, de logiciels et de méthodologies pour la saisie, la validation, le stockage et l’exploitation de données, dont la majorité est spatialement référencée, destinée à la simulation de comportement d’un phénomène naturel, à la gestion et l’aide à la décision. Figure 1.1 : Composantes d’un SIG Un SIG répond à 5 fonctionnalités (les 5 A) : Abstraction: modélisation de l'information, Acquisition: récupérer l'information existante, alimenter le système en données, Archivage: stocker les données de façon à les retrouver et les interroger facilement, Analyse: réponses aux requêtes, cœur même du SIG, Affichage: restitution graphique. En d’autres termes, un SIG est un environnement informatisé d’analyse d’une information spatiale numérisée. 1 I.2 STRUCTURE D’UN SIG La figure 1.2 met en évidence quatre groupes de fonctionnalités au-dessous d’une couche d’applications: l’acquisition des données géographiques d’origines diverses, la gestion pour le stockage et la recherche des données, l’analyse spatiale pour le traitement et l’exploitation et enfin la présentation des résultats sous forme cartographique. Figure 1.2 : Structure d’un SIG (Abdelbaki C., 2012) I.3 FONCTIONNALITES D’UN SIG Un SIG complet, permettra non seulement de dessiner puis tracer automatiquement le plan, mais en outre : - De disposer les objets dans un système de référence géographique, de les convertir d’un système à un autre. - De rapprocher entre elles deux cartes (deux plans) de sources différentes, de faciliter leur superposition comme c’est illustré dans la figure 1.3. Figure 1.3 : Superposition sous un SIG - De corriger certains contours de la moins fiable en reprenant les coordonnées correspondantes de la plus fiable. 2 - D’extraire tous les objets géographiques situés à une distance donnée, d’un carrefour, d’une route ou des rives d’un lac. - D’extraire tous les objets situés dans un périmètre donné comme c’est présenté dans la figure 1.4. Figure 1.4 : Exemple de sélection (Mihoubi et Abdelbaki, 2003) - De fusionner tous les objets ayant une caractéristique commune, par exemple les parcelles adjacentes ayant la même densité de surface bâtie. - De déterminer, sur un réseau, l’itinéraire le plus court pour aller d’un point à un autre. I.4 LES DONNEES DANS LES SIG Le premier aspect auquel on pense quand on évoque la notion de logiciel de cartographie informatique ou de système d’information géographique est celui de manipuler les données. Dès lors, un certain nombre de questions se posent : Comment l’information contenue dans une carte peut elle être stockée dans un ordinateur? Quelles sont les données traitées par les SIG ? La section suivante apporte les réponses aux différentes questions posées et met le point sur les modes d’acquisition de données dans un SIG. I.4.1 Modes d’acquisition de données Dans la pratique, les données géographiques proviennent de sources différentes, ont des modes d’acquisition différents, sont sus des médias différents, on dit qu’elles sont multi-sources. Certaines données sont directement mesurées sur le terrain (levés topographiques) ou captées à distance (système de positionnement Global GPS, photos aériennes, images satellitaires), ou saisies à partir de cartes ou de plans existants, ou récoltées par des organismes de production de données et ensuite importées. Il s’agira d’intégrer ces données hétérogènes, car de qualité, de fiabilité, de précision et d’extensions spatiales bien différentes. Nous présentons dans ce qui suit les principales méthodes d’acquisition de données. a. Numérisation La numérisation (digitalisation ou vectorisation) permet de récupérer la géométrie des objets disposés sur un plan ou une carte préexistante comme illustré dans la figure 1.5. Figure 1.5 : Opération de digitalisation 3 Elle consiste à faire évoluer un curseur sur un plan posé sur une table à digitaliser et préalablement calé en coordonnées. La table est réceptive aux signaux électriques émis par le curseur. Elle peut localiser ces signaux sur le plan de la table avec une précision de l’ordre du dixième de millimètre. La figure 1.6 présente un exemple d’extraction des couches et la figure 1.7 présente le résultat de la digitalisation. Figure 1.6 : Extraction des couches Figure 1.7 : Exemple de résultat de digitalisation b. Balayage électronique (scannérisation) Le balayage électronique (réalisé avec un scanner) est un autre moyen de saisir un plan existant (figure 1.8). Il est plus rapide que la digitalisation manuelle. Figure 1.8 : Extrait d’une carte scannée c. Photogrammétrie La photogrammétrie aérienne est utilisée de façon systématique pour constituer les cartes à moyenne échelle. Elle est retenue également dans les pays dont la couverture cartographique et géodésique est 4 déficiente et utilisée pour la constitution de plans à grande échelle pour un coût qui peut être très avantageux. La figure 1.9 présente un exemple de photos aériennes. Figure 1.9 : Exemple de photos aériennes. d. Images satellitaires (télédétection) La télédétection est un moyen très commode de créer les données à introduire dans les SIG. Il s’agit en effet d’utiliser, dans des conditions particulières et rigoureuses, soit les photographies aériennes, soit les images enregistrées et transmises par satellite comme c’est illustré dans la figure 1.10. Figure 1.10 : Exemple d’image satellitaire e. Import de fichiers C’est une façon de réduire les coûts de saisie et de récupérer des données existantes et de les convertir au format, au système d’unités et au système de projection souhaités comme c’est illustré dans la figure 1.11. Pour cela, on utilise des interfaces qui permettent: - soit de transformer directement les données dans le format interne du SIG récepteur grâce à des bibliothèques de conversions à ce format interne. - soit de passer par l’intermédiaire d’un format d’échange reconnu, par une fonction d’importation de données du SIG récepteur. Figure 1.11 : Exemple d’importation de fichiers vers le SIG 5 I.4.2. Types de données dans un SIG Généralement pour qu’un objet spatial soit bien décrit et prêt à être utilisé par un SIG, trois informations doivent être fournies: - sa position géographique dans l’espace - sa relation spatiale avec les autres objets spatiaux : topologie - son attribut, c’est à dire ce qu’est l’objet avec un caractère d’identification (code) Les systèmes d’information géographique permettent de traiter les données spatiales et associées (figure 1.12). Figure 1.12 : Types de données dans un SIG I.4.2.1 Données spatiales Elles déterminent les caractéristiques spatiales d’une entité géographique où sont représentés et identifiés tous les éléments graphiques: - La localisation : coordonnées par rapport à une échelle graphique de référence. - La forme: point, ligne, surface. - La taille: longueur, périmètre, surface. Les informations font référence à des objets de trois types (figure 1.13): - Point: est désigné par ses coordonnées et à la dimension spatiale la plus petite. - Ligne: a une dimension spatiale constituée d’une succession de points proches les uns des autres. - Polygone (zone ou surface): est un élément de surface défini par une ligne fermée ou la ligne qui le délimite. Figure 1.13 : Données spatiales I.4.2.2 Données associées 6 Les données associées des entités géographiques permettent de compléter la représentation géométrique de l’entité spatiale. Chaque élément de l’espace reçoit un code d’identification qui peut être numérique ou littéral (figure 1.14). Ce code constitue en quelque sorte une étiquette caractérisant le point, la ligne ou le polygone. Parmi ces données il faut distinguer : a) Données de classification: Ces données permettent de ranger le point isolé, la ligne ouverte ou la ligne fermée, dans une catégorie: limite administrative, contour de parcelle, bordure de trottoir, arbre d’alignement, conduite de réseau d’eau... Souvent ces distinctions seront prises en compte par l’organisation même du travail de saisie. Tout se passe, comme si l’on distinguait plusieurs couches d’informations, que l’on saisit successivement. b) Données d’identification: Ces données permettent d’individualiser chaque objet figurant sur le plan: nom propre de l’objet, par exemple nom de la commune ou numéro permettant de l’identifier: numéro de parcelle, numéro de vanne... Figure 1.14 : Notion de couches de données c) Données attributaires: Ces données viennent apporter une information supplémentaire, propre à chaque objet identifié: le propriétaire de la parcelle, le diamètre de la conduite d’eau... Souvent ces informations sont déjà disponibles sur des fichiers informatiques, où elles sont liées à l’identifiant de chaque objet. En général, la classe d’objet est déterminée, au moins en partie, par le processus de digitalisation, les identifiants étant introduits souvent en bloc à la fin. Figure 1.15 : Données associées 7 I.4.3. Modes de données dans les SIG La reprise de documents cartographiques existants sur support papier en vue de les introduire dans un SIG, pouvait recourir à des techniques différentes: la digitalisation et le balayage électronique par exemple. La première conduit directement, comme c’est illustré à la figure 1.16, à des données cartographiques numériques de type vecteurs, la seconde à des données tramées. Figure 1.16 : Modes de données dans un SIG I.4.3.1 Mode vecteur Ce mode répond au souci de représenter un objet de manière aussi exacte que possible. Pour transformer un objet réel en une donnée à référence spatiale, on décompose le territoire en couches thématiques (figure1.17) (relief, routes, bâtiments…) structurées dans des bases de données numériques. Figure 1.17 : Décomposition du monde réel en couches d’information Une couche réunit généralement des éléments géographiques de même type. Les éléments géographiques (objets spatiaux) peuvent être représentés sur une carte par des points, des lignes ou des polygones (figure 1.18). 8  Figure 1.18 : Mode vecteur Les avantages du mode vecteur sont: - Une meilleure adaptation à la description des entités ponctuelles et linéaires. - Une facilité d’extraction de détails. - Une simplicité dans la transformation de coordonnées. - Les inconvénients du mode vecteur sont: - Les croisements de couches d’information sont délicats et nécessitent une topologie parfaite. I.4.3.2 Mode raster Le mode trame ou raster est également appelé modèle matriciel. Contrairement au mode vecteur qui ne décrit que les contours, le mode raster décrit la totalité de la surface cartographique point par point (Figure I.19). Il est utilisé principalement dans les systèmes à balayage (scanners, capteurs en télédétection …). Figure 1.19 : Mode Raster Les avantages du mode raster sont: - Meilleure adaptation à la représentation des détails surfaciques. - Acquisition des données à partir d’un scanner à balayage. - Meilleure adaptation à certains types de traitements numériques: filtres, classifications Les inconvénients du mode raster sont: - Mauvaise adaptation à la représentation des détails linéaires. - Obligation de parcourir toute la surface pour extraire un détail - Impossibilité de réaliser certaines opérations topologiques, la recherche du plus court chemin dans un réseau par exemple. Ces deux modes sont complémentaires. Le raster est mieux adapté à certains types d’applications (télédétection) et apporte une réponse économique à certains besoins. L’exploitant d’un réseau pourrait par exemple se contenter de scanner des fonds de plans en les conservant au format raster et on numérisant par-dessus son réseau en mode vecteur (qui nécessite une définition par formes géométriques). Le vecteur correspond à l’ensemble des besoins courants en gestion de données localisées. I.5. DOMAINES D’APPLICATION DES SIG Les approches ont mis en évidence le fait qu’un système d’information géographique est un outil de gestion et d’aide à la décision. C’est un outil de gestion pour le technicien qui doit au quotidien assurer le fonctionnement d’une activité. Le SIG doit aussi être un outil d’aide à la décision pour le décideur (directeur, administrateur) qui doit bénéficier de sa puissance et disposer de cartes de synthèses pour prendre les meilleures décisions. 9 C’est cette finalité qui permet d’employer le terme de système d’information et de donner aux SIG les domaines d’applications suivants (figure 1.20): Pour les grandes échelles - La gestion foncière et cadastrale (recensement des propriétés, calcul de surfaces) - La planification urbaine (plan d’occupation des sols et d’aménagement) - La gestion des transports (voies de circulations, signalisation routière) - La gestion des réseaux (assainissement, AEP, gaz, électricité, téléphone...) - La gestion du patrimoine (espaces verts, parcs, jardins...) - Les applications topographiques (travaux publics et génie civil) Pour les échelles moyennes et petites - Les études d’impact (implantation d’un centre commercial ou d’une école) - Les études d’ingénierie routière (constructions de routes ou d’autoroutes) - Les applications liées à la sécurité civile (prévention des risques naturels et technologiques). - La gestion des ressources naturelles (protection de l’environnement, études géologiques, climatologiques ou hydrographiques). Figure 1.20 : Domaines d’application des SIG 1.6. MISE EN PLACE D’UN SIG D’une manière générale, la mise en oeuvre d’un SIG peut être faite avec différents logiciels parmi lesquels les quatre suivants constituent les plus utilisés : Geoconcept, ArcView, ArcGis et MapInfo. Tous ces logiciels ont une même vocation : apporter des réponses à la problématique spatiale grâce à des analyses cartographiques ou des thématiques. Les fonctionnalités techniques sont très proches les unes des autres. Ces logiciels s’adaptent à des usages dans les divers domaines, mais leur choix devra être éclairé par : son cout dépendant évidemment du budget alloué au projet du SIG. l’ergonomie de son interface. la nécessité de former les chargés d’études pour sa prise en main. ses atouts en termes d’apport de solutions d’analyses. les possibilités d’échanges de données. la compatibilité de ses supports de données avec d’autres. 10