Introduction aux sig

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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

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Sommaire
Introduction
Notions de géodésies
Les grands types de données
Notions de bases de données
Les fonctions du SIG
Les principaux logiciels
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.

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Introduction (2)
SIG = Système d’Information géographique
Sommaire
Les fonctions d’un SIG (les 5A)
Abstraction, Acquisition, Archivage, Analyse et
Affichage de données à caractère spatial

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Sommaire
Introduction
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

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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.
Pourquoi a-t-on
besoin des
projections
cartographiques ?
carte du XVè siècle basée
sur les texte de Ptolémée
(110-160 Après JC ?)

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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.
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.

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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.
Géoïde : Surface théorique la plus proche de la surface de la terre.
Ellipsoïde : Surface mathématique la plus proche du géoïde.

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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.
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

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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.
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 ».

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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.
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.

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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.
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.

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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.
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
Sommaire

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Sommaire
Introduction
Types de données spatiales (1)
On distingue essentiellement deux types de
données spatiales
– Les données vectorielles
– Les données images (ou raster)

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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.

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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.

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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
Les données attributaires

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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.
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).

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Données Raster (2)
Données Raster (3)

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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)
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

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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)
Sommaire
Introduction

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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.

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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.
Exemple de Modèle Conceptuel de Données

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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
Base de données
Itinéraires Techniques
INRA-SAD Mirecourt – PIREN-Seine
Exemple de Modèle Physique de Données

25
Sommaire
Sommaire
Introduction

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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.
Abstraction (2)
Le mode de représentation du terrain n’est pas neutre

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Abstraction (3)
La représentation du terrain est déterminée par les
objectifs du système
Acquisition (1)
Données Raster

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Acquisition (2)
Données Vecteur : numérisation sur écran
Acquisition (3)
Données Vecteur : numérisation sur document papier

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Acquisition (4)
Acquisition de données sur le terrain
Acquisition (5)
Données externes obtenues auprès de fournisseurs
BD ParcellaireBD-Objets-Geol 250
Exemples

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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
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

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Analyse (1)
Croisement de couche vecteur par analyse spatiale
Analyse (2)
Géotraitements sur des vecteurs
On distingue essentiellement
L’agrégation
Le regroupement
Le découpage
L’intersection
L’union
La jointure spatiale

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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.
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

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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.
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.

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Analyse (7)
L’union (Union)
Permet de créer un
nouveau thème contenant
les entités de 2 thèmes de
polygones ainsi que leurs
attributs.
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.

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Analyse (9)
Croisement de couche raster par analyse spatiale
Analyse (10)
Création d’information en dérivant des couches raster
Création de courbes de niveau

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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
Analyse (12)
Analyse sur linéaire vecteur
Ordination de Strahler

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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
Analyse (14)
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

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Analyse (15)
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.

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Carte de localisation
Profil en long

40
Affichage et
restitution (3)
Carte thématique
Affichage et Restitution (4)
Image

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Tableau
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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