Analyses Spatiales par un SIG - Chapitre 3 - PDF

# Chapitre 3 : Analyses Spatiales par un SIG ## Introduction * Un système d'information géographique (SIG) permet de réaliser un nombre énorme de tâches d'analyses et de traitements sur des données géographiques, sur les attributs et sur les 2 ensembles * Fonctions d'analyses d'un SIG: ## Fonctio...

# Chapitre 3 : Analyses Spatiales par un SIG ## Introduction * Un système d'information géographique (SIG) permet de réaliser un nombre énorme de tâches d'analyses et de traitements sur des données géographiques, sur les attributs et sur les 2 ensembles * Fonctions d'analyses d'un SIG: ## Fonctions d'analyses d'un SIG 1. **Extraction de données (sélection ou requête):** * C'est une fonction qui utilise l'algèbre Booléenne, ce dernier est appliqué sur les attributs et les propriétés spatiales et fait appel aux opérations (Et, ou, négation et/ou exclusif). * Il consiste à sélectionner les objets représentant un certain critère, l'extraction et la création d'une couche ne comportant que les polygones répondant au critère donné. * **Exemple:** Sélectionner les douars ayant plus de 300 habitants. 2. **Reclassification des données:** * C'est l'étape qui suit l'extraction, c'est ainsi que l'opérateur peut visualiser les résultats et décider sur la nouvelle structure des données. On doit tenir compte en utilisant la reclassification de chaque opération de fusion et séparation. * **Exemple:** Un segment commun à 2 zones fusionnées doit être éliminé de la base de données. C'est l'affection d'un nouvel attribut descriptif à un polygone qui peut être déterminée à partir d'autres attributs de ce polygone. 3. **Superposition des données:** * C'est une méthode qui consiste à superposer un "transparents" qui correspondent à chacun des cartes et de délimiter les zones d'intérêt. La superposition de 2 couches ou plusieurs couches résulte en une nouvelle couche, c'est la fusion des polygones ayant une propriété commune la même valeur pour un attribut (par exemple). ## Opérations ### Opérations ponctuelles * Addition * Soustraction * Multiplication * Division * Moyenne * Combinaison Booléenne (U.n, et, ou, 7, v...) * Détermination des limites maximales et minimales * Opérations à plusieurs variables (Analyse en composantes principales) ### Opérations Zonales * Superposition et intersection de deux réseaux de polygones * Classification des zones en se basant sur l'inclusion * Détermination des sites en se basant sur la distance ou l'intervalle de valeurs d'une cible donnée ### Zone tampon (Buffer) * Génération de tampon (Corridor ou Buffer) indique la création de nouveaux polygones à partir de détails ponctuels, linéaires et zonaux appartenant à la banque de données. A partir d'un point ou d'une série de points, des tampons circulaires ou carrés se porteront des segments ou des polygones. ### Opérations de voisinage (Proximité) * A partir d'un élément ponctuel, linéaire et zonal, il est possible de sélectionner des éléments présents à l'intérieur d'un rayon ou d'une distance fixée par l'utilisateur: * Détermination des sites en se basant sur la distance ou l'intervalle de valeurs d'une cible * Utilisation des fonctions sur des surfaces continues ou détermination de plus court chemin * Formation des courbes de niveau * Interpolation * Détermination des zones en se basant sur un point donné ## Analyse multicritère et prise de décision C'est une méthode qui a pour objectif la manipulation de plusieurs critères dans le but ultime de faciliter la prise de décision, surtout dans le domaine d'environnement: Analyse multicritère pour faciliter la tâche des décideurs et les gens impliqués pour acceptation du refus d'un projet. **Exemple:** Projet consiste à trouver l'emplacement idéal pour l'implantation d'un complexe touristique de condominium, critères suivants sont pris en considération: * Zone d'industrie ou agriculture. * Situer sur un sol convenable * Zone sans risque ## Étapes de réalisation d'analyse spatiale multicritère * Établir les objectifs et les priorités de l'analyse spatiale * Acquisition des données * Les étapes du choix des facteurs et les contraintes * Préparer les données pour l'analyse (Ponderation des facteurs) * Réaliser les opérations d'analyse (Superposition) * Évaluation et interprétation des résultats * Produire des cartes finales et les rapports (tableaux) et résultats. ## Choix d'un facteur et contraintes: * Un facteur est un critère qui augmente ou réduit la valeur de localisation d'un site. * Une contrainte constitue une limite dans l'espace, l'élimination des endroits jugés inadéquats. # SIG et Télédétection: ## Chapitre 1: Principaux concepts du SIG ### Définition: * Un SIG comme un système informatique, de gestion et de manipulation des données géographiques, comprenant aussi bien l'ensemble des données que l'outil logiciel ### Historique: * Expérimentation (1970-1979) * Maturité (les années 80) * Diffusion (les années 90) * Développement/Evolution (années 2000): * Géographie automatisée * SIG et internet * SIG Mobile (nomade) ### Composants d'un SIG Les composants principales d'un SIG sont: 1. Données 2. Matériel (Équipement informatique) 3. Logiciels (Tous les programmes informatiques nécessaires pour le fonctionnement du SIG) 4. Méthodes ou procédures 5. Les utilisateurs (Un contexte organisationnel approprié) ### Composantes logicielles Les logiciels de SIG offrent des outils et ses fonctions pour stocker, analyser et afficher toutes les informations. Les principaux logiciels utilisés dans le domaine du SIG: * Arc GIS * Arc View * Map Info * Idrissi * GRASS * etc... ### Composantes matérielles Les SIG fonctionnent aujourd'hui sur une très large gamme d'ordinateurs des serveurs de données aux ordinateurs de bureau connectés en réseau, utilisés de façon autonome: * L'ordinateur * La table à digitaliser * Le scanner (balayeur) * L'imprimante * La table traçante * Le GPS ### Données manipulées par un SIG Un SIG manipule deux types d'objets 1. Des entités spatialement référencées qui ont une localisation en X et Y et ceux qui ont une localisation topologique relationnelle. 2. Des entités descriptives porteuses d'informations quantitative ou qualitative sous forme de variables, classes, valeurs et noms (altitude, débit...). ### Utilisateurs Un SIG est un outil, c'est son utilisation (et donc, son ou ses utilisateurs) qui permet de l'exploiter. Les SIG s'adressent à une grand communauté d'utilisateurs: * Pour ceux qui créent et maintiennent les systèmes. * Pour ceux qui l'utilisent pour leur travail quotidien, la dimension géographique. ### Méthodes (Procédures) La mise en œuvre et l'exploitation d'un SIG ne peut pas s'envisager sans respect des règles et procédures de chaque organisation. ### Principaux fonctions d'un SIG * L'acquisition des données (spatiales et descriptives) * Le traitement et l'analyse de ces données: 1. Stockage et la gestion des données 2. Leur mise à jour 3. L'analyse et le croisement de données * La restitution des Résultats (sous forme de tableaux, de cartes 2D et 3D et graphiques) ### Schéma fonctionnel du SIG * **Acquisition des données** * **Traitement et analyse des données** * **Restitution des résultats** ### Apport du SIG * Production aisée de documents cartographiques * Forte capacité d'analyse d'information * Possibilités de mettre en relation les informations diverses * Faciliter l'accès à l'information * Simulation (étude d'impact...) * Aide à la décision : prendre des mesures en étant mieux informé ### Tâches effectuées par un SIG On cite des exemples de fonctions analytiques et de traitement des données peuvent être accomplies par un SIG: 1. Étude de changements intervenus entre 2 ou plusieurs dates 2. Liaison avec les bases de données alphanumériques (Dbase, etc.) 3. Analyse numérique du terrain, calculer les pentes, ensoleillement et écoulement 4. D.A.O (Dessin assisté par ordinateurs) 5. Numérisation (digitalisation, scannerisation, vectorisation, calculs topométriques) 6. Tracé et habillage de plans et cartes 7. Analyse de superposition d'ensemble de couches 8. Occupation du sol 9. et 10. Conception, gestion de Vernie ### Modes de représentation des données d'un SIG On distingue 2 approches fondamentales pour représenter l'espace géographique: * Un mode vectoriel. * Un mode matriciel. Les deux modes sont complémentaires et créent des modèles d'une qualité supérieure. ### Modes vectoriel (vecteur) Définition: représente les entités géographiques par points, lignes, surfaces (polygones) et des volumes, référencée spatiale pour chaque entité est définie par point unique (unidentité est définie par ligne et colonnes). ### Avantages * Bonne représentation de la structure. * Compacité des données. * Topologie complètement décrite par liste d'entités. * Représentation graphique précise. * Extraction, mise à jour et généralisation des graphiques et des attributs possibles. ### Inconvénients * Structure complexes. * Combinaison, superposition difficile des données. * Technologies chères car de haute précision graphique. * Analyse spatiale coûteuse en temps de calcul. ### Modes matriciel (Raster) Définition: divise l'espace géographique en cellules régulières que l'on nomme pixel. La localisation d'une entité est définie par ligne et colonne, position unique qui définit la localisation par pixel. ### Avantages * Inconvénients: * Gros volume de données. * Taille des mailles dépendantes du phénomène étudié. * Aspect visuel médiocre des documents. ### Chapitre 2: Acquisition des données par le SIG: ### Introduction L'acquisition des données pour un SIG ne consiste pas à les introduire dans une base de données mais aussi à les codifier. La codification doit considérer le format et la structure des données utilisées par le logiciel envisagé: En principe, l'acquisition des données se fait en trois phases: * Saisie des données spatiales * Saisie des attributs * Lien entre les données spatiales et leurs attributs La saisie des données est l'étape la plus lente et la plus onéreuse aussi. Pour entamer la procédure de saisie, il est nécessairement de disposer des données qui proviennent de sources variées qui englobent: * Levés au terrain * Images satellitaires * Photographies aériennes. ### Base de données du SIG * Cartes et plans * Données internet. * Autres données numériques * Données GPS. * Cartes existantes ### Sources de donnée * Bases de données déjà existantes * Tableaux, listes de données numériques et alphanumériques (GPS, station totale) * Observations terrain par moyen d'instruments topographiques (GPS, station totale) * Photographies aériennes, images satellitaires, tout document graphique. ### Notion de couche d'information C'est une couche est un plan réunissant normalement des éléments géographiques de même type (Points, lignes ou polygones). Une couche peut aussi être vue comme un compartiment logique du système d'information, chaque couche représente un sous ensemble "thématique" des informations retrouvées dans SIG. On dit qu'il s'agit d'un plan car dans la majorité des cas, les données géographiques incorporées dans les sig sont Bidimensionnelles. ### Quelles entités mettre sur la même couche? On met sur une même couche des entités de même couche, par exemple: * Toutes les rivières, tous les limites municipales, tous les conduits d'égouts. Plus précisément, on prévoit une couche par entité géographique. ### Saisie des données spatiales: Phase la plus longue et coûteuse, elle peut prendre différentes formes. Elle est généralement effectuée par l'utilisateur en fonction de l'information qu'il veut créer: * Importation ou changement direct * Images satellitaires * Digitalisation des cartes: topographies, cadastrales, etc... * Saisir du clavier ou saisie alphanumérique: bases des données géographiques * Scannage ou scannerisation: plans anciens. * Levés réguliers ou topographiques: plan de géomètres. Le but de la saisie et la mise en forme des données: est de constituer une base de données géo-référenciées, organisée de la manière la plus efficace à partir de laquelle des informations sont extraites. ### Entrée des données spatialement référencées * Saisie manuelle par le clavier * Saisie automatisée * Récupération fichiers d'autres formats d'échange. * Traitement particulier: Images satellitaires. ### Données existantes Ces données concernent les observations topographiques, les bases de données existantes, de fichiers données numériques provenant de différents logiciels et des listes et tableaux de données numériques et/ou alphanumériques. ### Numérisation Cette opération consiste à numériser toutes les entités spatiales selon le type de données à numériser. Le principe général de la numérisation consiste à mesurer dans un système d'axes, tous les détails du document à saisir. 1. **Par table à digitaliser:** On utilise une table à digitaliser à partir d'un document analogique (carte). On peut utiliser une table à digitaliser, qui permet de saisir point par point, ligne par ligne. Chaque élément de la carte (limite de communes et courbes de niveaux, villes) digitalisation consiste la transformation des coordonnées (X, Y) en coordonnées (X, Y). en projection retenue. **Acquisition des figures**: * Mode point par point * Mode continu en ligne ou en "Stream" Les éléments seront enregistrés sous forme numérique, avec leurs coordonnées spatiales après que l'on a donné le référentiel géographique au système de saisie. 2. **Numérisation par un scanner:** On utilise un numériseur d'images (scanner) qui permettra la reconstitution des éléments homogènes géographiquement, à partir la représentation de points enregistrés. Image numérique "RASTER" obtenue à un document analogique (carte). * **Vectorisation manuelle (Conversion RASTER=Vecteur) (Digitalisation sur écran)** ### Saisie des attributs Les attributs sont caractérisés par leur aspect non spatial (exemple: une zone peut être définie spatialement par sa limite, enregistré sous forme (modèle vecteur) ou par (mode Raster). La zone est caractérisée par des cultures spécifiques. Ces données descriptives constituent les attributs: * Saisir de ces éléments est réalisée parallèlement à la saisie données spatiales. * Plus tard, en utilisant le système de gestion de la base de données; * Chaque attribut est décrit par l'identificateur qui sert à distinguer des autres attributs ### Lien entre données spatiales et attributs L'utilisation d'une structure de données adéquate facilite la gestion et la mise à jour de ces données. L'utilisation des cartes et d'identificateurs unique rend lien efficaces entre les deux types de données, ce lien sert à faire correspondre chaque entité graphique aux différents attributs qui lui sont associés, chacun de ces objets est décrit clairement. ### Création d'un MNT Un modèle numérique de terrain et une représentation numérique de la topographie, l'altimétrie ou bathymétrie d'une zone terrestre, constituée par un réseau de mailles régulières, chaque maille est représentée par les coordonnées de son centre (x, y, z). ### Différences entre MNT et MNS Un modèle numérique de terrain ne couvert tout ce qui se trouve sur le sol (terre) contrairement au MNS (Modèle numérique de surface qui pris en considération tout ce qui est sur la surface. ### Les MNT peuvent être réalisés par 3 méthodes: * MNT stéréoscopiques: Ils sont réalisés à partir de couples stéréoscopiques d'images SPOT ou de photographies ariennes. Ils sont calculés après recherche par autocorrélation de points homologues entre les images utilisées. * MNT calculés à partir de courbes de niveau: MNT obtenues par courbes de niveaux numérisées par cartes topographiques. On distingue 2 méthodes: * MNT interférométriques: la technique interférométrique permet de reconstruire MNT à partir d'utilisation de couples d'acquisition radar. Les ondes radars sont peu sensibles aux conditions atmosphériques. Et la précision de technique Mobele Nom <10m. ### MNT par un logiciel du SIG Raster 1. Numérisation des courbes de niveau. 2. Conversion du format recteur en format raster 3. Interpolation des courbes de niveau format raster 4. Visualisation du MNT ### MNT par un logiciel du SIG Vecteur: 1. Numérisation des courbes de niveau méthode *TIN* 2. Interpolation des courbes de niveau par méthode TIN 3. Conversion du format TIN en format raster 4. Visualisation du MNT ### Méthode 1: MNT par un logiciel du SIG Raster: * Étape 1: numérisation des courbes de niveau; il existe aujourd'hui des méthodes qui sont informatisées qui permettent de numériser les courbes automatiquement. * Étape 2: Conversion du format vecteur en format raster; c'est une étape capitale qui influence directement la qualité du MNT. L'utilisateur doit spécifier de la résolution du pixel qui doit être adéquate pour le fichier numérique. Le SIG matriciel attribue la valeur d'élévation de courbe de niveau aux pixels. Pour les pixels qui ne sont pas intercoupés par aucune courbe, il attribue une valeur. * Étape 3: Interpolation des courbes de niveau; c'est une procédure qui prédit une valeur inconnue en se basant sur des valeurs connues de ses voisins. * Étape 4: Visualisation d'un MNT; après l'étape d'interpolation on obtient MNT. La création d'un MNT est terminée, cette étape permet de voir l'image en relief afin de bien identifier le relief de la région. ### Méthode 2: MNT par un logiciel du SIG Vecteur: Cette technique pour la création d'un MNT à partir des courbes de niveaux: méthode TIN. L'interpolation direct se fait en utilisant une méthode basée sur le TIN (Triangular Irregular Networks ou le *Réseau* de triangles irréguliers). Il existe différentes méthodes telles que la triangulation de Delaunay ou le classement des distances. On peut à cette étape convertir le format TIN en format raster. ### Utilisation des MNTS: Ces modèles sont utiles pour visualiser le relief d'une région donnée en 3D. On utilise ces modèles pour d'autres applications telles que: 1. Les ortho-rectifications: permet de calculer les distances réelles en respectant les coordonnées. 2. Les corrections géométriques. 3. Les corrections radiométriques des images satellitaires Les modèles numériques sont utilisés pour extraire des informations ou élucidées: * Pente * Orientation de pentes * Visibilité * Profils * Réseau et drainage * Basins versants * et autres... ### Extraction d'information à partir d'un MNT Les modèles numériques de terrain sont très utilisées pour extraire de l'information comme la pente et l'orientation de la pente (exposition), réseau hydrographique, bassin versant; visibilité, profits, etc... ### La pente: Un SIG peut extraire des données sur l'angle de la pente, peut extraire le degré ou le pourcentage des pentes. Pente (%) = Dénivelé h (m) x 100 / Longueur L (m) Pente en degré a= arctan (R/L) ### L'orientation des pentes: Un SIG permet d'également d'extraire des informations sur l'orientation des versants basée sur l'orientation des pentes. Le SIG identifie les différentes directions de pente en utilisant la carte de pente à l'échelle de 360°. Zones plates ont une valeur de "-1", car elles n'ont pas d'influence: N: [337-360[U]0-22,5] et SE: [12,5-157,5] ### Réseau de drainage (hydrographique) ### Délimitation: Bassin versant ### Réalisation de profil topographique (le long d'un cours d'eau):