Cours SIG - Connaissances Théoriques - Semestre 9 - PDF

Système d’Information Géographique SIG -Connaissances théoriques- Semestre 9 Pr : ELAMRANI HASSAN Courriel : [email protected] 1  Sommaire...

Système d’Information Géographique SIG -Connaissances théoriques- Semestre 9 Pr : ELAMRANI HASSAN Courriel : [email protected] 1  Sommaire **** L’INTRODUCTION: POUR QUOI LE SIG DANS LA FORMATION DES ARCHITECTES DÉFINITIONS DE SYSTÈME D’INFORMATION GÉOGRAPHIQUE DÉFINITIONS : UN SIG AUTONOME OU PARTIE D’UN SI LES PRINCIPALES COMPOSANTES D’UN SIG LES FONCTIONNALITÉS D’UN SIG (LES 5 A) DOMAINES D’APPLICATION DES SIG AVANTAGES DE L’UTILISATION DES SIG LE SIG IDÉAL À METTRE EN PLACE LES ÉLÉMENTS OU ARCHITECTURE D’UN SIG MODE D’ACQUISITION DES DONNÉES GÉOGRAPHIQUES DANS UN SIG NOTION DE BASE DE DONNÉES GÉOGRAPHIQUE MODÉLISATION CONCEPTUELLE DES DONNÉES SPATIALES NOTIONS SPATIALES FONDAMENTALES L’INTRODUCTION: LE SIG DANS LA FORMATION DES ARCHITECTES ❑ une place de plus en plus importante SIG dans la connaissance et la gestion des Dans la gestion des territoires depuis 1980 territoires ❑ logiciel SIG estimé à 2 milliards de SIG outils au profit des dollars en 2004 soit 30% du marché acteurs DT et mondial boites privées SIG ❑ saisir, stocker, gérer, consulter, analyser, méthodes et représenter des objets géographiques, techniques avec la particularité essentielle de performantes prendre en compte les caractéristiques spatiales et les attributs descriptifs SIG pouvoirs ❑ Etat - collectivités territoriales- décisionnels entreprises - grand public DÉFINITIONS DE SYSTÈME D’INFORMATION GÉOGRAPHIQUE Peter Burrough (1986) l’auteur du premier manuel SIG: « Un SIG est un équipement instrumental puissant pour l'acquisition, la représentation, le traitement, la transformation et la représentation de données localisées relatives au monde réel ». DÉFINITIONS DE SYSTÈME D’INFORMATION GÉOGRAPHIQUE ❑RNCREQ, (Le réseau national des conseils régionaux de l’environnement du Québec, 2003) parle ainsi «d’un ensemble organisé de matériel, de logiciels et de données géographiques visant à saisir, stocker, mettre à jour, manipuler, analyser et afficher toutes les formes d’information à référence géographique ». DÉFINITIONS DE SYSTÈME D’INFORMATION GÉOGRAPHIQUE ❑M.F. Goodchild (1988) définit le SIG : « un système qui utilise une base de données localisées pour générer des réponses à des questions d'ordre géographique. Un SIG peut être décrit comme un ensemble de routines spatiales spécialisées qui s'appuient sur une base de données relationnelle standardisée ».  DÉFINITIONS DE SYSTÈME D’INFORMATION GÉOGRAPHIQUE ❑IGN, (Institut National de la Géographie, 1994) : « 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 ». DÉFINITIONS DE SYSTÈME D’INFORMATION GÉOGRAPHIQUE ❑IGN, (Institut National de la Géographie, 1994) : « 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 ». ❑ David Cowen (1988) le définit comme un « système d'aide à la décision qui place des données géoréférencées dans un contexte de résolution de problèmes ». DÉFINITIONS DE SYSTÈME D’INFORMATION GÉOGRAPHIQUE ❑David Cowen (1988) le définit comme un « système d'aide à la décision qui place des données géoréférencées dans un contexte de résolution de problèmes ». Bibliographie: Burrough P.A., 1986: Principles og Geographical Information Systems Of Land Ressources Assessment. Monongraphs on soil ans ressources survey, n°12, Oxford, Oxford University Press; 193 P RNCREQ (Réseau des conseils régionaux de l’environnement du Québec), 2003: Outils de diagnostic et aide à la décision. http://rnereq.org/dd/outils _diague.html Goodchild MF., 1988: A spatial analytical perspective on GIS. Internattional Journal Of Geographie Information Systems, I; p.327-334 Cowen D.J., 1988: GIS sersus CAD Versus DBMS; What are the differences.? In: photogrammetric Enginneering remote sensig,Vol. 54, 11; p.1551-1555 LES PRINCIPALES COMPOSANTES D’UN SIG Un SIG est constitué de 5 composants majeurs : 1. Les logiciels: Ils assurent six fonctions (acquisition; archivage; analyse; affichage; abstraction; anticipation). 2. Les données: Les données géographiques sont importées à partir de fichiers ou saisies par un opérateur. LES PRINCIPALES COMPOSANTES D’UN SIG 3. Les matériels informatiques: un ordinateur de bureau, un ordinateur durci ou sur une tablette, L’ordinateur de terrain avec appareil photo, GPS 4. Les savoir-faire: connaissances et technique diverses et savoir-faire dans divers métiers (géodésie, analyse des données, sémiologie graphique, cartographique, Informatique) 5. Les utilisateurs: suivant les objectifs, le SIG peut être dédié au grand public, techniciens ou d’ingénieurs.  DÉFINITIONS : UN SIG AUTONOME OU PARTIE D’UN SI Un SI est « un système de communication permettant de communiquer et de traiter l’information » (Denègre et Salgé, 1996). Ou encore un SI est une collection de La particularité des SIG tient à la nature données et d'outils qui manipulent ces données. Ces dernières peuvent être de des données traitées. Ces dernières nature numérique, textuelle ou sont géoréférencées, c’est-à-dire leur audiovisuelle. position est connue dans un référentiel spatial. (SIG) est un cas particulier des systèmes d’information (SI). L’INFORMATION GÉOGRAPHIQUE (IG) L'information géographique désigne toute information sur des objets ou des phénomènes (appelés entités géographiques) localisables à la surface de la terre A.Une composante graphique : la carte, qui décrit la forme et les caractéristiques de l'entité tout en la localisant par des coordonnées géographiques ou cartographiques. B. Une composante attributaire : la légende, qui identifie les entités représentées. L’INFORMATION GÉOGRAPHIQUE (IG) LES MODES DE REPRÉSENTATION DES DONNÉES GÉOGRAPHIQUES Le Mode Vectoriel (format vecteur) Le Mode Matriciel (format raster)  Comparaison des structures des données spatiales Mode Vectoriel Mode Matriciel Elément de représentation = Objet Elément de représentation = Maille Identification de l’objet avec précision Précision dépend de la résolution Structure topologique complexe : Topologie implicite Relation de Relations de voisinage explicites, connectivité entre les mailles Analyse de réseau Espace mémoire réduit Espace mémoire volumineux Combinaisons illimitées des Analyses spatiales limitées données Document de sortie de qualité nette Médiocrité de la qualité de sortie TYPES DES DONNÉES DANS LES SIG 1- Les données géométriques (localisation) 2- Les données descriptives (Attributaires) 3- Les données graphiques (paramètres d’affichage) 4- Les métadonnées associées (données sur les données) NOTION DE BASE DE DONNÉES GÉOGRAPHIQUE Modélisation des Données Spatiales ✓ Une couche est une entité géographique ✓ Une couche réuni des éléments géographiques de même type ✓ Une couche est un compartiment logique du système d'information  NOTION DE BASE DE DONNÉES GÉOGRAPHIQUE C'est un ensemble des données spatiales et non spatiales structurées et organisées de manière à être interrogeables et analysables de façon interactive ou automatique. Une base de données géographique concerne habituellement une zone définie. Elle est gérée par un logiciel SIG. Elle intègre les données elles-mêmes ainsi que leurs métadonnées. NOTION DE BASE DE DONNÉES GÉOGRAPHIQUE Le stockage et l’organisation des données dans un SIG Un Système de Gestion de Base de Données (SGBD). (données relationnelles) (PostGreSQL/PostGIS+Or acle Base de Série des couches données (Raster/Vecteur) géographique superposables dans un même système de projection Un système de fichiers (arborescence de répertoire)  LES ÉLÉMENTS OU ARCHITECTURE D’UN SIG Très schématiquement, l’architecture d’un SIG moderne s’articule autour de trois types de composants logiciels :  Un système de gestion de base de données (SGBD)  Une solution serveur permettant la diffusion et l’exploitation des données en mode web  Une solution de type bureautique dédiée à la gestion et traitement des données  Une solution mobile de consultation et de mise à jour LES ÉLÉMENTS OU ARCHITECTURE D’UN SIG  FONCTIONNEMENT D’UN SIG Pour obtenir (les images, les cartes ou les données géospatiales) souhaitées, l’utilisateur fait appel au client (application web) qui envoie une requête au serveur cartographique (2). Cette dernière traite la requête géographique en interrogeant le ou les serveurs de données spatiales disponibles (3). La réponse du serveur cartographique renvoie l’image ou les images de cartes souhaitées au client (4). MODE D’ACQUISITION DES DONNÉES GÉOGRAPHIQUES DANS UN SIG Manières pour importer les données spatiales Importer une base de données arrangée dans un format interne à un SIG, telles que les données géographiques sous forme de flux WMS (images, plans, orthophotos…) et WFS (couches de points, lignes, polygones…). MODE D’ACQUISITION DES DONNÉES GÉOGRAPHIQUES DANS UN SIG Manières pour importer les données spatiales Importer un fichier texte (txt) contenant tous les renseignements structurés de manière primitive, L’exemple des données sous format CSV signifie Comma-Separated Values MODE D’ACQUISITION DES DONNÉES GÉOGRAPHIQUES DANS UN SIG Manières pour importer les données spatiales Passer par une des normes d’échange disponible sur le marché SIG MODE D’ACQUISITION DES DONNÉES GÉOGRAPHIQUES DANS UN SIG Les sources des données spatiales Digitalisation MODE D’ACQUISITION DES DONNÉES GÉOGRAPHIQUES DANS UN SIG Les sources des données spatiales Données géolocalisées MODE D’ACQUISITION DES DONNÉES GÉOGRAPHIQUES DANS UN SIG Les sources des données spatiales Scannage de plan MODE D’ACQUISITION DES DONNÉES GÉOGRAPHIQUES DANS UN SIG Les sources des données spatiales Photos aériennes MODE D’ACQUISITION DES DONNÉES GÉOGRAPHIQUES DANS UN SIG Les sources des données spatiales Images satellites  LE SIG IDÉAL À METTRE EN PLACE Quelques logiciels SIG Une licence de type « propriétaire » est un contrat encadrant strictement l’utilisation du produit en limitant voire interdisant ses duplications ou copies par exemple ; elle est le plus souvent payante. Il existe cependant des produits gratuits sous licence propriétaire. Une licence dite « libre » est un contrat permettant à toute personne morale ou physique d'utiliser, d'étudier, de copier et de modifier l’objet du contrat. Quelques logiciels SIGAussi connu pour avoir été le plus gros projet géomatique openSource. Il regroupe des fonctionnalités raster (en particulier des modules classiques de traitement et d’analyse GRASS GIS d’images de télédétection) ainsi que des fonctionnalités vecteurs (rappelons que graSS est un Sig à base topologique). Il est disponible pour Linux, mac oS x, unix et Windows Logiciel de cartographie basé sur la bibliothèque QT. Il est disponible sous Linux (Kde), mac oS x, ou Windows. Entre autres choses, il permet la visualisation « à la volée » des QGIS couches de données comme des shapefiles ainsi que leur modification. Il permet notamment l’élaboration de fichiers destinés à être publiés sur mapServer. Il présente une Logiciels ergonomie aboutie qui le rend très simple à utiliser libres GvSIG Logiciels libres développés en Java pour Linux et Windows geoServer est un serveur open source écrit en Java qui permet aux utilisateurs de GeoServer partager et modifier des données géospatiales OpenStreetMap est un projet qui a pour but de constituer une base de données OpenStreetMap cartographiques libre du monde (permettant par exemple de créer des cartes sous licence libre), en utilisant le système gpS et d’autres données libres Logiciel de publication de carte sur internet. Il peut être utilisé pour réaliser des MapServer applications Web, mais également pour publier des services Web conformes aux recommandations de l’open geospatial consortium (WmS,WfS,WcS) Il propose des dispositifs pour générer des modèles numériques de AutoDEM terrains (MNT) à partir de courbes de niveaux. Il supporte plusieurs formats tel que les Logiciels images raster et les courbes de niveaux de type vectoriel Gratuits Google Earth Version gratuite à installer sur un pc ou un mac. En 2011, google annonce que google earth a été installé plus de 1 milliard de fois Google Maps Version gratuite de Sig cloud sortie en 2013 ArcGIS Produit sophistiqué de la société ESRI Mapinfo Produit édité par la société Pitney Bowes Software (PBS) Logiciels Métiers s'appuyant sur l'environnement Autodesk (AutoCAD, GeoMapGIS Comme AutodeskMap,AutodeskMapGuide, etc.). Offre un accès à une grande variété de données spatiales et un niveau de fonctionnalités rciaux Global Mapper Sig suffisant aux utilisateurs Sig novices et avancés. GeoMedia (GeoMedia, GeoMedia professional, GeoMedia WebMap, GeoMedia Grid…) d’intergraph ;  DIFFÉRENCES ENTRE SIG ET DAO Les outils DAO sont des outils de dessin permettant de représenter graphiquement l’information et de réaliser des dessins. En outre, ils ne permettent pas la représentation de données en fonction des attributs, ni les analyses spatiales. Les outils SIG sont conçus pour créer et gérer des bases de données, ensembles de « tableaux » d’informations de tout type (des textes, des chiffres, des images, des coordonnées dans l’espace, des plans issus de DAO). DIFFÉRENCES ENTRE SIG ET DAO  LE SIG IDÉAL À METTRE EN PLACE Les qualités essentielles pour la réussite d’un SIG Rentable Documenter Pertinent Les qualités Motivant Flexible essentielles pour la réussite d’un SIG Coopératif Sécuritaire Autonome Compétitif  LES FONCTIONNALITÉS D’UN SIG (LES 5 A) Capacité de modélisation et de l’intellectualisation du monde réel concevoir un modèle qui arrange les données par constituants géométriques et par attributs descriptifs Abstraction (« Schéma Conceptuel de Données (SCD)) Capacité de digitalisation et d’importation de données. il faut maitriser les éléments suivants : les techniques d’acquisition, les échanges de données, la propriété de la donnée Acquisition capacité de stoker et de les retrouver facilement les données. Elle dépend de l’architecture du logiciel avec la présence intégrée ou non d’un Système de Gestion de Base de Données (SGBD) relationnel ou Archivage orienté objet. Le logiciel choisi doit avoir une grande capacité de stockage des données. Capacité d’analyser les données géographiques (méthodes d’analyse spatiale sémantique, méthodes d’analyse spatiale géométrique…). Analyse Capacité de communiquer des données: le logiciel choisi doit permettre l’affichage de l’information géographique sous forme de Cartes, Tables, Graphes, etc. Affichage DOMAINES D’APPLICATION DES SIG Pour les grandes Pour les échelles échelles moyennes et petites L’identification des meilleurs endroits pour La gestion foncière et cadastrale : ex. recensement des l’emplacement d’une nouvelle ressource ou ce que on propriétés privées et le calcul de leurs surfaces. appelle carte d’aptitude La planification urbaine : ex. réalisation des cartes Les études d’ingénierie routière : ex. constructions de d’occupation des sols et plans d’aménagement urbain. routes ou d’autoroutes. La gestion des réseaux : ex. réseau d’assainissement, approvisionnement en eau potable, gaz, électricité, Les applications liées à la prévention des risques naturels téléphone, etc. La gestion des espaces verts naturels ou urbains : ex. Identification de la zone de chalandise d’une marque parcs naturels et jardins publics Commerce : analyse de la structure des marchés Santé : épidémiologie, répartition et évolution des maladies et des décès, distribution des services sociaux sanitaires, plans d'urgence, etc. Protection de l’environnement : étude des changements globaux, suivi des changements climatiques, biologiques, morphologiques, océaniques, etc.  AVANTAGES DE L’UTILISATION DES SIG ❑ Les données sont gardées sous forme physique (support magnétique) ❑ Les données peuvent être stockées et extraites à un faible coût ❑ L’accès aux données est facile ❑ Mesures sur les cartes, les superpositions, les transformations, la conception graphique ❑ Des tests analytiques de modèles à caractère géographique peuvent être réalisés et répétés facilement ❑ L’étude des changements (études diachroniques) intervenues entre plusieurs dates peuvent être facilement réalisés ❑ La conception graphique interactive et les traceurs automatisés peuvent être utilisés pour la conception et la production cartographique MODÉLISATION CONCEPTUELLE DES DONNÉES SPATIALES Elaboration du modèle et ses étapes UML : Unified Modeling Language : c’est une méthode orientée objet MERISE : Méthode d’Etude et de Réalisation Informatique pour les Systèmes d’Entreprise.  MODÉLISATION CONCEPTUELLE DES DONNÉES SPATIALES Modèle conceptuel des données (MCD) ✓ Deux entités peuvent être reliées par une relation ✓ Les entités et relations sont caractérisées par des attributs ✓ Les cardinalités minimum et maximum MODÉLISATION CONCEPTUELLE DES DONNÉES SPATIALES Modèle conceptuel des données (MCD) Exemple MODÉLISATION CONCEPTUELLE DES DONNÉES SPATIALES Modèle logique des données (MLD) ✓ Modèle qui est fonction d’une technologie ✓ Une ligne correspond à une occurrence de l’entité ✓ Une colonne est l’attribut ✓ Chaque table a une clé primaire ✓ Les liens entre entités ne sont plus visibles MODÉLISATION CONCEPTUELLE DES DONNÉES SPATIALES Le modèle physique Ce modèle se construit, une fois les tables de données reliées entre elles et rentrées dans un SGBDR Si les cardinalités maximales d’une association sont égales à (1), les deux entités sont regroupées, Les propriétés deviennent des attributs de la relation. NOTIONS SPATIALES FONDAMENTALES Notion de topologie ✓ la position relative d'un objet par rapport à ses voisins ✓ nature des objets doit être clairement définie ✓ l'articulation géométrique des objets doit être correcte NOTIONS SPATIALES FONDAMENTALES Notion d’échelle cartographique ✓ L’échelle est l’inverse du rapport d’une distance et sa représentation ✓ L’échelle graphique ✓ L’échelle numérique NOTIONS SPATIALES FONDAMENTALES Notion de Géoréférencement (Systèmes de référence géographique) ✓ Système de coordonnées ✓ un système de référence géodésique et d'un ellipsoïde Géoïde, Ellipsoïde et Datum ; pour quelle utilisation NOTIONS SPATIALES FONDAMENTALES Notion de Géoréférencement (Systèmes de référence géographique) Géoïde, Ellipsoïde et Datum ; pour quelle utilisation ✓ Un géoïde est une représentation de la surface terrestre plus précise que l'approximation sphérique ou ellipsoïdale; Il sert de zéro de référence pour les mesures précises d'altitude. ✓ Un ellipsoïde est une surface régulière qui s'écarte au maximum de 100 m du géoïde. L'ellipse est un ovale doté d'un grand axe (l'axe plus long) et d'un petit axe (l'axe plus court). ✓ Un datum (ellipsoïde local) est créé sur l'ellipsoïde sélectionné et peut incorporer des variations locales d'altitude. NOTIONS SPATIALES FONDAMENTALES Notion de Géoréférencement (Systèmes de référence géographique) Coordonnées géographiques La latitude La longitude Latitude: L’angle (°) au centre de la terre qui sépare l’équateur et le parallèle d’un lieu. Alors combien vaut : (1°lat) = ? Km 40000/360= 111 km NOTIONS SPATIALES FONDAMENTALES Notion de Géoréférencement (Systèmes de référence géographique) ✓ Système de coordonnées ✓ un système de référence géodésique et d'un ellipsoïde Coordonnées géographiques La latitude La longitude Longitude L’angle (°) au centre de la terre qui sépare le méridien de Greenwich et le méridien d’un lieu. NOTIONS SPATIALES FONDAMENTALES Notion de Géoréférencement (Systèmes de référence géographique) ✓ Système de coordonnées ✓ un système de référence géodésique et d'un ellipsoïde Coordonnées géographiques La latitude La longitude Alors combien vaut : (1°lon) = ? Km 1°lon = 111 km * Cosinus Latitude 45° de latitude Nord 1°Lon= 111*Cos 45= 77.8 km  NOTIONS SPATIALES FONDAMENTALES Systèmes Projections cartographiques C’est une fonction mathématique qui fait correspondre à un ellipsoïde un plan de projection en transformant les coordonnées sphériques du globe (longitude, latitude, [deg,min,sec] en coordonnées planaires plates (coordonnées cartésiennes [x,y]) identifiés par des coordonnées x, y sur une grille, dont l'origine est située au centre de cette grille. Chaque position possède deux valeurs qui la situent par rapport à cet emplacement central.