Introduction aux sig

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Introduction aux sig

  1. 1. 1 Introduction aux SIG Sylvain Théry – UMR 7619 Sisyphe thery@ccr.jussieu.fr S. Théry - IST, novembre 2005 2 Sources utilisées Ce document s’inspire en partie de supports de cours réalisés par L’UMR Sisyphe (CNRS-Paris VI) L’UMR Prodig (CNRS-Paris I) L’Institut National Agronomique Paris-Grignon L’École Nationale des Sciences Géographiques L’Université de Genève
  2. 2. 2 S. Théry - IST, novembre 2005 3 Sommaire Introduction Notions de géodésies Les grands types de données Notions de bases de données Les fonctions du SIG Les principaux logiciels S. Théry - IST, novembre 2005 4 Introduction (1) SIG = Système d’Information géographique Un Système d'Information Géographique est un ensemble de données numériques, localisées géographiquement et structurées à l'intérieur d'un système de traitement informatique comprenant des modules fonctionnels permettant de construire, de modifier, d'interroger, de représenter cartographiquement les données, selon des critères sémantiques et spatiaux.
  3. 3. 3 S. Théry - IST, novembre 2005 5 Introduction (2) SIG = Système d’Information géographique S. Théry - IST, novembre 2005 6 Sommaire Les fonctions d’un SIG (les 5A) Abstraction, Acquisition, Archivage, Analyse et Affichage de données à caractère spatial
  4. 4. 4 S. Théry - IST, novembre 2005 7 Sommaire Introduction Notions de géodésies Les grands types de données Notions de bases de données Les fonctions du SIG S. Théry - IST, novembre 2005 8 Notions de géodésie (1) Les données utilisées dans les SIG ont un caractère spatial définie par une géométrie La localisation de cette géométrie est exprimée soit dans l’espace géographique non-projeté (latitude/longitude) soit dans un système de projection
  5. 5. 5 S. Théry - IST, novembre 2005 9 Notions de géodésie (3) Pourquoi a-t-on besoin des projections cartographiques ? Pour se repérer, Pour permettre la comparaison précise de la forme, l’aire, la distance ou la direction des objets sur une carte, Pour superposer des objets de thèmes différents dans le logiciel SIG. S. Théry - IST, novembre 2005 10 Notions de géodésie (4) Pourquoi a-t-on besoin des projections cartographiques ? carte du XVè siècle basée sur les texte de Ptolémée (110-160 Après JC ?)
  6. 6. 6 S. Théry - IST, novembre 2005 11 Notions de géodésie (5) Pour comprendre la notion de projection, il convient de connaître quelques concepts de géodésie Géodésie : science qui étudie la mesure des dimensions et la forme de la terre. Cette science intervient en amont de la cartographie et permet (entre autre) d’assurer le positionnement des bases de données géographiques nécessaire aux SIG. S. Théry - IST, novembre 2005 12 Notions de géodésie (6) La forme de la terre est régit par un phénomène physique fondamentale, la pesanteur (force attractive résultante exercée sur chaque point matériel). De ce fait, la terre est assimilée à une sphère de forme imparfaite, le géoïde. Définition du géoïde : surface équipotentielle des forces de la pesanteur représentée par la surface moyenne du niveau des mers qui se prolonge sous les continents. Cette surface théorique se rapproche le plus de la forme réelle de la terre puisque la surface des océans (les ¾ du globe) se confond avec le géoïde.
  7. 7. 7 S. Théry - IST, novembre 2005 13 Notions de géodésie (7) Le géoïde est essentiellement utilisé qu'en altimétrie. Pour traiter la représentation planimétrique de la surface de la terre on assimile le géoïde à un ellipsoïde de révolution (c'est à dire une sphère aplatie aux pôles). L'ellipsoïde est une surface mathématique, la plus proche de la surface de la terre, abstraction faite du relief. C’est essentiellement cette notion qui est utilisé dans le domaine des SIG et de la cartographie. S. Théry - IST, novembre 2005 14 Notions de géodésie (6) Géoïde : Surface théorique la plus proche de la surface de la terre. Ellipsoïde : Surface mathématique la plus proche du géoïde.
  8. 8. 8 S. Théry - IST, novembre 2005 15 Notions de géodésie (7) Pour calculer le réseau géodésique dont dépend sa cartographie, chaque pays choisi un ellipsoïde propre, aussi voisin que possible du géoïde sur l'étendu de son territoire. Pour la France, l'ellipsoïde retenu est celui de Clarke 1880, tangent au géoïde à Paris. Cet ellipsoïde, comme tout ellipsoïde, est associé à un Datum. S. Théry - IST, novembre 2005 16 Notions de géodésie (8) Un Datum est un système géodésique de référence, il existe des systèmes locaux et des systèmes spatiaux (mondiaux). Il s’agit d’un repère affine à 3 dimensions dont le centre est proche du centre des masses de la terre. (d’une dizaine de mètre à moins de 500 mètres). Un système géodésique de référence local est donc caractérisé par : - un ellipsoïde - un point fondamental (point pour lequel l’ellipsoïde et le géoïde sont confondu) - un méridien d’origine qui correspond à l’origine des longitudes, - une représentation plane
  9. 9. 9 S. Théry - IST, novembre 2005 17 Notions de géodésie (9) Exemple de système géodésique local utilisé actuellement en France : – Nouvelle Triangulation Française NTF Ellipsoïde : Clarke 1880 Point fondamental : Croix du panthéon à Paris. Méridien origine : Paris (situé à 2°20’14.025’’ à l’Est de celui de Greenwich). Représentation plane associée : Lambert Zone I, II, III, IV. S. Théry - IST, novembre 2005 18 Notions de géodésie (10) Exemple de système géodésique spatial utilisé en France : Réseau Géodésique Français RGF 93, Réseau de Référence Français (RRF) : 23 sites. Réseau de Base Français (RBF) densification du précédent (1009 sites). Réseau de Détail Français (RDF), constitué des points de la NTF, la précision est de 5 à 10 cm Méridien d’origine (origine des longitudes) Greenwich, Ellipsoïde associé : IAG-GRS80, Projection associée : projection conique conforme sécante appelé « Lambert 93 ».
  10. 10. 10 S. Théry - IST, novembre 2005 19 Notions de géodésie (11) L’ensemble des notions abordées concernent la représentation planimétrique (ellipsoïde) et altimétrique (géoïde). Si l’on veut représenter une portion de la surface de la terre sur un plan, il faut établir une correspondance (la plus fidèle possible) entre les points de la portion de l’ellipsoïde à représenter et ceux du plan. S. Théry - IST, novembre 2005 20 Notions de géodésie (12) L’espace géographique, matérialisé par l’ellipsoïde, est un espace courbe. Pour passer de cet espace courbe à une carte dessinée sur un plan on utilise une projection cartographique. C’est à dire une transformation mathématique faisant correspondre un point de l’ellipsoïde à un point du plan. Cette transformation introduit nécessairement des déformations, c’est à dire des déplacements relatifs des points de la surface terrestre rapportés à l’ellipsoïde de référence. Cependant il est possible de minimiser certaines déformations, afin de conserver les propriétés correspondantes.
  11. 11. 11 S. Théry - IST, novembre 2005 21 Notions de géodésie (13) Les projections peuvent être classées en fonction des distorsions minimisés : Conforme : conserve localement les angles et les formes. Exclusivement utilisé en géodésie et topographie. Par contre ce type de projection modifie les rapports de surface. Equivalente : conservation des rapport de surfaces. Projection sans intérêt du point de vue topographique car les longueurs mais aussi les angles sont altérés. Utilisé pour la cartographie. Aphylactique : ne conserve ni les angles (conforme) ni les surfaces (équivalente). Les projections équidistantes (ne déforme pas les distances) sont classées dans cette catégorie. S. Théry - IST, novembre 2005 22 Notions de géodésie (14) Par ailleurs aucune projection ne conserve les longueurs sur l’ensemble du domaine représenté, effectivement l’ellipsoïde ne pouvant se développer sur une surface plane, chaque longueur subie une altération qui dépend de se position sur l’ellipsoïde. Chaque système de projection est donc défini afin de minimiser cette altération linéaire.
  12. 12. 12 S. Théry - IST, novembre 2005 23 Notions de géodésie (15) La projection azimutale consiste à projeter une portion de l’ellipsoïde sur un plan tangent à la sphère (ce type de projection est aussi appelé projection perspective ou projection zénithale). La projection conique : la surface projetée est un cône tangent ou sécant à la sphère. La projection cylindrique : la surface de référence à la forme d’un cylindre, tangent ou sécant à l’ellipsoïde. S. Théry - IST, novembre 2005 24 Notions de géodésie (16) Le choix d’un système de projection doit être effectué en fonction des besoins auxquels il doit répondre. Par exemple : si une carte doit permettre des comparaisons de surface, on optera pour une projection qui conserve les superficies: projection équivalente. si une carte doit servir à la navigation maritime ou aérienne, on choisira une projection qui conserve les angles, les directions: projection conforme. si une carte doit représenter les distances réelles entre différents sites, on choisira une projection qui respecte les rapports de distances : projection équidistante.
  13. 13. 13 S. Théry - IST, novembre 2005 25 Notions de géodésie (17) S. Théry - IST, novembre 2005 26 Sommaire Les fonctions d’un SIG (les 5A) Abstraction, Acquisition, Archivage, Analyse et Affichage de données à caractère spatial
  14. 14. 14 S. Théry - IST, novembre 2005 27 Sommaire Introduction Notions de géodésies Les grands types de données Notions de bases de données Les fonctions du SIG S. Théry - IST, novembre 2005 28 Types de données spatiales (1) On distingue essentiellement deux types de données spatiales – Les données vectorielles – Les données images (ou raster)
  15. 15. 15 S. Théry - IST, novembre 2005 29 Données vecteurs (1) Les données vecteur sont un ensemble d'objets géographiques représentés chacun par des primitives graphiques : le point et l'arc. Les arcs se connectent à leur extrémité ou nœud pour former des lignes et des polygones. S. Théry - IST, novembre 2005 30 Données vecteurs (2)
  16. 16. 16 S. Théry - IST, novembre 2005 31 Données vecteurs (3) Un parcellaire ou tout autre zonage thématique est constitué de polygones : ce sont des données surfaciques. Des réseaux techniques, des cours d'eau ou des voies sont représentés par des lignes : ce sont des données linéaires ou filaires. Des puits, des points de sondage, des sièges d'exploitation sont représentés par des points : ce sont des données ponctuelles. S. Théry - IST, novembre 2005 32 Données vecteurs (4)
  17. 17. 17 S. Théry - IST, novembre 2005 33 Données vecteurs (5) Elles définissent les propriétés des différentes entités et figurent dans le modèle conceptuel de données. Elles sont de type alphanumériques (ce sont soit du texte, soit des chiffres). Elles peuvent être qualitatives (nom de la parcelle) ou quantitatives (rendement d’une parcelle agricole). Les données attributaires S. Théry - IST, novembre 2005 34 Données vecteurs (6) Les données attributaires
  18. 18. 18 S. Théry - IST, novembre 2005 35 Données vecteurs (7) Lien dynamique données attributaires et graphiques Il peut se traduire de deux manières : 1 - A chaque fois que l'on pointe GRAPHIQUEMENT sur l'objet d'une couche (un campement, une parcelle...) on connait les propriétés de l'objet pointé. 2 - A chaque fois que l'on pointe dans une table attributaire sur un objet, on sait immédiatement où se situe cet objet sur les plans graphiques. S. Théry - IST, novembre 2005 36 Données Raster (1) Ce sont les données que l'on obtient à partir d'images satellitales, de photographies aériennes numériques (orthophoto) ou de modèles numériques de terrain. Une image raster est une matrice ou grille à deux dimensions où le pas de la maille (ou pixel) représente la résolution spatiale. Elle correspond à la taille des plus petits objets que l'on peut identifier. (ex : 10 m pour les images Spot panchromatique).
  19. 19. 19 S. Théry - IST, novembre 2005 37 Données Raster (2) S. Théry - IST, novembre 2005 38 Données Raster (3)
  20. 20. 20 S. Théry - IST, novembre 2005 39 Données Raster (4) On peut distinguer deux type de données Raster : - les images (utilisées essentiellement pour de la représentation cartographique) - les grilles (utilisé pour du calcul et de la modélisation) S. Théry - IST, novembre 2005 40 Données Raster (5) Exemple : photo aérienne, scan 25. L’information contenu dans la matrice de pixel concerne la couleur de représentation de l’information. Cette information n’est pas directement accessible. Les images
  21. 21. 21 S. Théry - IST, novembre 2005 41 Données Raster (6) Exemple : Modèle numérique de terrain. L’information contenu dans la matrice de pixel concerne une valeur quantitative (ex. Altitude). Cette information peut être vue et modifiée dans la table attributaire Les grilles (ou grids) S. Théry - IST, novembre 2005 42 Sommaire Introduction Notions de géodésies Les grands types de données Notions de bases de données Les fonctions du SIG
  22. 22. 22 S. Théry - IST, novembre 2005 43 Base de données géographiques (1) Dans un SIG, les données raster ou vecteur sont organisés au sein d’une base de données qui se définie par la zone d’étude qu’elle concerne. La base de données contient donc un découpage thématique de la zone d'étude qui se traduit par un ensemble de couches superposables. S. Théry - IST, novembre 2005 44 Base de données géographiques (2)
  23. 23. 23 S. Théry - IST, novembre 2005 45 Base de données géographiques (3) Les données concernant la zone d'étude et sa problématique doivent être structurées pour être compréhensibles par des logiciels de type SIG. La constitution d’une BD géographique passe donc par – Une phase d' analyse Elle consiste à définir le "pour quoi ?" du futur système d'informations, c'est-à- dire sa finalité. A quelle(s) problématique(s) doit-il répondre ? Dans quelles mesures peut-il y répondre ? – Une phase de construction du modèle conceptuel de données Elle consiste à structurer les données du SIG en construisant un modèle, appelé modèle conceptuel de données (MCD) traduisant les finalités du futur système. S. Théry - IST, novembre 2005 46 Base de données géographiques (4) Exemple de Modèle Conceptuel de Données
  24. 24. 24 S. Théry - IST, novembre 2005 47 Base de données géographiques (6) Modèle Conceptuel de Données Une démarche simple et méthodique de construction consiste à : – établir une liste de données à partir des enquêtes, expression des besoins, cahier des charges, étude de faisabilité, et plus généralement de tout support d'information disponible. – procéder à l'épuration des polysèmes, des synonymes. – définir des identifiants pour chaque entité. – définir les associations entre les différentes entités – écrire les cardinalités des couples entités-associations S. Théry - IST, novembre 2005 48 Base de données géographiques (7) Base de données Itinéraires Techniques INRA-SAD Mirecourt – PIREN-Seine Exemple de Modèle Physique de Données
  25. 25. 25 S. Théry - IST, novembre 2005 49 Sommaire Les fonctions d’un SIG (les 5A) Abstraction, Acquisition, Archivage, Analyse et Affichage de données à caractère spatial S. Théry - IST, novembre 2005 50 Sommaire Introduction Notions de géodésies Les grands types de données Notions de bases de données Les fonctions du SIG
  26. 26. 26 S. Théry - IST, novembre 2005 51 Abstraction (1) Les systèmes d’information géographique sont utilisés pour réaliser des descriptions du territoire permettant d’obtenir l’information nécessaire pour répondre à une problématique. Ils contiennent cette information sous plusieurs formes dont certaines sont des représentations d’éléments ou de phénomènes existants. Ces représentations cherchent à reproduire le plus fidèlement possible la réalité d’une manière compréhensible par les utilisateurs et utilisable informatiquement dans le but de répondre à des objectifs donnés. Le monde réel est ainsi modélisé en fonction des besoins, ce qui permet de définir précisément le contenu du système. S. Théry - IST, novembre 2005 52 Abstraction (2) Le mode de représentation du terrain n’est pas neutre
  27. 27. 27 S. Théry - IST, novembre 2005 53 Abstraction (3) La représentation du terrain est déterminée par les objectifs du système S. Théry - IST, novembre 2005 54 Acquisition (1) Données Raster
  28. 28. 28 S. Théry - IST, novembre 2005 55 Acquisition (2) Données Vecteur : numérisation sur écran S. Théry - IST, novembre 2005 56 Acquisition (3) Données Vecteur : numérisation sur document papier
  29. 29. 29 S. Théry - IST, novembre 2005 57 Acquisition (4) Acquisition de données sur le terrain S. Théry - IST, novembre 2005 58 Acquisition (5) Données externes obtenues auprès de fournisseurs BD ParcellaireBD-Objets-Geol 250 Exemples
  30. 30. 30 S. Théry - IST, novembre 2005 59 Archivage (1) Le SIG sert à stocker les données et à les mettre à la disposition des utilisateurs du système Serveur BD Utilisateurs Consultation Mise à jour Sauvegarde S. Théry - IST, novembre 2005 60 Archivage (2) Centraliser les données de manière normée Relier ces données les unes aux autres Permettre leur diffusion Intérêts : – assurer la cohérence et l’intégrité des données – partager les bases – simplifier leur mise à jour Objectifs
  31. 31. 31 S. Théry - IST, novembre 2005 61 Analyse (1) Croisement de couche vecteur par analyse spatiale S. Théry - IST, novembre 2005 62 Analyse (2) Géotraitements sur des vecteurs On distingue essentiellement L’agrégation Le regroupement Le découpage L’intersection L’union La jointure spatiale
  32. 32. 32 S. Théry - IST, novembre 2005 63 Analyse (3) L’agrégation (Dissolve) Permet d’assembler des entités d’un thème, si la valeur du champ servant à l’agrégation est la même pour les entités. Le nouveau thème ainsi créé possédera les attributs du premier thème. S. Théry - IST, novembre 2005 64 Analyse (4) Le regroupement (Merge) Permet de combiner les entités de 2 ou plusieurs thèmes. Les thèmes doivent être de même type de fichier de forme. (combine 2 thèmes de polygones s polygones
  33. 33. 33 S. Théry - IST, novembre 2005 65 Analyse (5) Le découpage (Clip) Permet de découper une partie d’un thème d’entités ponctuels, linéaires ou surfacique en se basant sur l’extension spatiale d’un thème de polygones. S. Théry - IST, novembre 2005 66 Analyse (6) L’intersection (Intersect) Permet de créer un thème intégrant les objets de 2 thèmes, en ne conservant que les objets compris dans l’extension spatiale commune au 2 thèmes. Les attributs des objets du thème créé seront ceux des 2 thèmes intersectés.
  34. 34. 34 S. Théry - IST, novembre 2005 67 Analyse (7) L’union (Union) Permet de créer un nouveau thème contenant les entités de 2 thèmes de polygones ainsi que leurs attributs. S. Théry - IST, novembre 2005 68 Analyse (8) La jointure spatiale (Assign data by location) Permet d’attribuer les données d’un thème à la table d’un autre thème, lorsque les entités partagent la même extension spatiale.
  35. 35. 35 S. Théry - IST, novembre 2005 69 Analyse (9) Croisement de couche raster par analyse spatiale S. Théry - IST, novembre 2005 70 Analyse (10) Création d’information en dérivant des couches raster Création de courbes de niveau
  36. 36. 36 S. Théry - IST, novembre 2005 71 Analyse (11) Création d’information en dérivant des couches raster Création de grilles d’accumulation et de direction pour obtenir une couverture de bassin versant et de drainage S. Théry - IST, novembre 2005 72 Analyse (12) Analyse sur linéaire vecteur Ordination de Strahler
  37. 37. 37 S. Théry - IST, novembre 2005 73 Analyse (13) Analyse tabulaire et statistique La requête tabulaire (non spatiale) est une phrase logique de type : propriété opérateur valeur exemples : 1. superficie > 10 2. superficie > 10 et pente < 5 3. date_inondation >= 1/01/1994 4. superficie > 10 et pente < 5 et date_inondation >= 1/01/1994 5.(expoitant = "Dupont" ou exploitant = "Durand") et superficie > 2 S. Théry - IST, novembre 2005 74 Analyse (14) Analyse tabulaire et statistique Ces analyses se font par le biais de requêtes sur les bases de données attributaires. Le langage de formalisation de ces requêtes est généralement le SQL (simple query language) ou un dérivé. ex : select * from ‘parcelles’ where ‘s2_km2’ >200
  38. 38. 38 S. Théry - IST, novembre 2005 75 Analyse (15) Analyse tabulaire et statistique S. Théry - IST, novembre 2005 76 Affichage et restitution (1) Après traitement des données Les systèmes d’information géographique sont utilisés pour restituter les données sous différentes formes : Cartes, Graphiques, Tables statistiques, Ou tout autre fichier informatique exportable vers d'autres applications.
  39. 39. 39 S. Théry - IST, novembre 2005 77 Affichage et restitution (2) Carte de localisation S. Théry - IST, novembre 2005 78 Affichage et restitution (2) Profil en long
  40. 40. 40 S. Théry - IST, novembre 2005 79 Affichage et restitution (3) Carte thématique S. Théry - IST, novembre 2005 80 Affichage et Restitution (4) Image
  41. 41. 41 S. Théry - IST, novembre 2005 81 Affichage et Restitution (5) Tableau S. Théry - IST, novembre 2005 82 Affichage et Restitution (6) Graphiques Teneur en MES 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 1971 1973 1975 1977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 Teneur en MES

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