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Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les Systèmes dInformation Géographique Objet et concepts Mickaël VASQUEZ Service DEL/AO.

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1 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les Systèmes dInformation Géographique Objet et concepts Mickaël VASQUEZ Service DEL/AO

2 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 PLAN Les SIG, pour quoi faire ? Les données : structure et formats Les données vectorielles –Modèle spaghetti –Modèle topologique –Indexation spatiale –Formats ESRI Les données maillées –Paramètres de géoréférencement –Formats

3 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les SIG, pour quoi faire ? Assurer la persistance, interroger, créer / modifier, mettre en forme des objets qui ont une dimension spatiale (routes, départements, isobathes, couches géologiques, …) et qui peuvent porter de linformation (une commune a un nombre dhabitants, à une isobathe correspond une profondeur, …) Faire des cartes ? Oui, entre autres … Outils pour spécialistes : reporting, statistiques, géostatistiques, traitement d'image, analyse 3D

4 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les SIG, pour quoi faire ? Assurer la persistance des objets Stockage de l'information portée par les objets (modèle relationnel) Stockage de la dimension spatiale de ces objets

5 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les SIG, pour quoi faire ? Interroger Le décideur : quelles sont les zones à évacuer en cas de crue ? Lusager : dans tel village, quels sont les terrains qui ne sont pas en zone inondable et dont le sous-sol nest pas meuble ? Le restaurateur : dans telle ville, où sont les rues passantes et dans un rayon d1 km dune université ? Le benthologue : quels peuplements suis-je susceptible de rencontrer à tel endroit sachant que le substrat est meuble, que la profondeur est de 15 m, et que l'eau est très turbide ?

6 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les SIG, pour quoi faire ? Créer / Modifier Linformation qui est portée par les objets -> Masques de saisie Les objets eux-même : création dune nouvelle route, modification du tracé dun court deau, suppression dun banc de sable, … -> Outils de DAO

7 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les SIG, pour quoi faire ? Mettre en forme

8 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Éléments dun SIG LogicielsUtilisateurs Base(s) de données vectorielles ou maillées et Métadonnées SGBDFichiers

9 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Principaux logiciels du marché ArcGIS (ESRI) : ArcInfo ou ArcView MapInfo (Claritas) Geomedia (Intergraph) Geoconcept (Geoconcept)

10 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Éléments dun SIG LogicielsUtilisateurs Base(s) de données vectorielles ou maillées et Métadonnées SGBDFichiers

11 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données vectorielles Les objets sont représentés par lintermédiaire de trois primitives graphiques : Points : arbres, épaves, points de mesure, … Lignes : routes, cours deau, tracés de profils sismiques, … Polygones : parcelles, courbes de niveau, couches géologiques, …

12 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données vectorielles Pour une thématique donnée, l'ensemble objets (entités) géographiques - information portée par ces objets (attributs) constitue une classe d'entités (synonymes : couche, thème) Exemples : classe d'entités de points Clients classe d'entités de polygones Bâtiments classe d'entités de lignes Rues Extrait Internet Esri France

13 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données vectorielles ID Nombre d'habitants Le modèle relationnel convient parfaitement au stockage de l'information attributaire Pour le stockage, 2 écoles : Le modèle spaghetti Le modèle topologique Mais l'information spatiale ? Comment la stocker ? Comment l'indexer ?

14 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données vectorielles – modèle spaghetti Une classe d'entités est constituée d'entités complètement autonomes Une ligne ou un polygone est une simple liste de points (sommets) Au sein d'une classe d'entité de polygones, les trous sont autorisés Au sein d'une classe d'entité, les entités peuvent se chevaucher

15 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données vectorielles – modèle spaghetti Structure de stockage des lignes dans une classe d'entités de lignes I II DébutFin I 14 II 58 XY 1X1X1 Y1Y1 2X2X2 Y2Y2 3…… 4…… 5…… 6…… 7…… 8 X8X8 Y8Y8 Doublon Tableau des lignes Tableau des sommets

16 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données vectorielles – modèle spaghetti Structure de stockage des polygones dans une classe d'entités de polygones DébutFin I 15 II 610 XY 1X1X1 Y1Y1 2X2X2 Y2Y2 3…… 4…… 5…… 6…… 7…… 8…… 9…… X 10 Y III Doublons Tableau des lignes Tableau des sommets

17 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données vectorielles – modèle topologique Définition de la topologie : concerne les relations entre objets dans le plan (l'espace), telles qu'elles soient conservées par homéomorphisme (déformation sans déchirement) du dit plan (Signature, 1999)

18 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données vectorielles – modèle topologique Exemple de déformation sans déchirement : un changement de projection La relation d'angle entre 2 objets n'est pas topologique, car elle n'est pas conservée Coordonnées sphériques – WGS84 UTM 35 N – WGS84 En revanche, la relation d'adjacence est topologique : la France reste adjacente (connectée) à l'Espagne quelle que soit la projection

19 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données vectorielles – modèle topologique Le modèle topologique considère une classe d'entités non plus comme un ensemble d'entités complètement autonomes, mais comme un graphe, c'est à dire un ensemble d'arcs connectés Un arc est constitué de 1 ou 2 sommets (ou noeuds) et de points annexes Sommet Point annexe Un polygone (ou domaine) est délimité par des arcs

20 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données vectorielles – modèle topologique Le modèle topologique ne se contente pas de stocker les éléments qui constituent les entités, il stocke également les relations topologiques entre ces entités Relations topologiques Arc – Sommets : un arc étant orienté, il a un sommet initial et un sommet final L'arc a pour sommet initial le sommet 1 et pour sommet final le sommet Relations topologiques Arc – Polygones : un arc étant orienté, il a un polygone gauche et un polygone droit 1 AB L'arc 1 a pour polygone gauche le polygone B et polygone droit le polygone A

21 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données vectorielles – modèle topologique Au sein d'une classe d'entité de polygones, les trous sont interdits Au sein d'une classe d'entité, les entités ne peuvent pas se chevaucher

22 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données vectorielles – modèle topologique Structure de stockage des arcs dans une classe d'entités d'arcs Sommet Initial Sommet final Point annexe début Point annexe fin I AB12 II BC35 XY 1X1X1 Y1Y1 2X2X2 Y2Y2 3X3X3 Y3Y3 4X4X4 Y4Y4 5 X5X5 Y5Y5 Tableau des arcs Tableau des points annexes I II A 1 2 B 3 4 C 5 XSYS AXS A YS A BXS B YS B CXS C YS C Tableau des sommets Pas de doublon Topologie

23 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données vectorielles – modèle topologique Structure de stockage des arcs et des polygones dans une classe d'entités de polygones Sommet Initial Sommet final Polygone gauche Polygone droit Point annexe début Point annexe fin I DA II AB III BC11 IV CDP2P122 VDE34 VI EF VII FC XY 1X1X1 Y1Y1 2X2X2 Y2Y2 3X3X3 Y3Y3 4X4X4 Y4Y4 Tableau des arcs Tableau des points annexes XSYS AXS A YS A BXS B YS B CXS C YS C DXS D YS D EXS E YS E FXS F YS F Tableau des sommets Topologie A B 1 2 D F E P1P2 C34 I II III IV V VI VII

24 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données vectorielles – comparatif des 2 modèles Modèle topologique Pour –Pas de redondance –Accélération très significative des traitements faisant appel aux relations de voisinage –Très strict (pas de trous, pas de chevauchements) –Excellent pour les traitements sur gros volumes de données contre –Très lourd à gérer Modèle spaghetti Pour –Très simple à comprendre et à manipuler contre –Redondance –Pas assez strict –Mises à jour graphiques souvent laborieuses –Très pénalisant pour les traitements sur gros volumes de données

25 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données vectorielles – Indexation spatiale Lors d'un zoom, il serait inutile et coûteux en temps machine de charger en mémoire toutes les entités de la classe d'entités. Il est préférable de ne charger que les entités concernées par l'étendue du zoom L'indexation spatiale, c'est le stockage dinformation supplémentaire qui va permettre daméliorer les performances lors de filtres spatiaux (zooms, requêtes spatiales) de telle sorte que seule linformation utile soit extraite et ce sans lire tout le contenu du fichier. Mais il serait également très coûteux de vérifier, pour toutes les entités, si elles sont contenues par ou si elles intersectent le rectangle d'emprise du zoom

26 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 Les données vectorielles – Exemple d'algorithme d'indexation : le tuilage Pour chaque entité, on recense les mailles de la grille qui la contiennent On créé une grille virtuelle Polygon le contenant le polygone P P P …… P77

27 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 Les données vectorielles – Exploitation du tuilage par un logiciel lors d'un zoom Polygon le contenant le polygone P P P …… P77 Récupération dans le tableau les identifiants des polygones qui sont contenues par ces mailles : P1 et P2 Récupération des mailles intersectées ou contenues par le rectangle qui délimite l'étendue du zoom : 1 et 2 21 Chargement en mémoire de ces polygones

28 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données vectorielles Format Couverture ArcInfo Contemporain du logiciel ArcInfo (1982) Format topologique S'appuie sur le SGBDR INFO pour le stockage de l'information attributaire Structure assez complexe, à base de répertoires et de fichiers : Workspace : répertoire contenant au moins une couverture Répertoire Info : répertoire partagé par toutes les couvertures du workspace. Il contient leur information attributaire 1 répertoire par classe d'entités (couverture). Ces répertoires contiennent l'information spatiale de la classe d'entités dont ils portent le nom

29 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données vectorielles Format Couverture ArcInfo Point de vue de l'utilisateur Topologie arcs – polygonesTopologie arcs - sommets Attributs de la classe d'entités Exemple : Couverture de polygones states

30 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données vectorielles Format Shapefile (fichier de formes) Apparu avec le logiciel ArcView (fin années 80) Format public, qui s'est imposé comme le format d'échange de référence Format spaghetti S'appuie sur le SGBDR dBase pour le stockage de l'information attributaire Structure : une classe d'entités (shapefile) = 3 fichiers obligatoirement + 4 fichiers facultatifs.shpInformation spatiale.dbfInformation attributaire.shxIndex spatiaux.sbn.sbx Index attributaires.prjParamètres de projection de la classe d'entités.xmlMétadonnées (Norme ISO19115 ou FGDC)

31 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données vectorielles Format Shapefile Point de vue de l'utilisateur Exemple : 3 classes d'entités au format shapefile

32 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données vectorielles ArcSDE A la fin des années 90, Esri sort ArcSDE, technologie permettant de stocker des classes d'entités non plus dans des fichiers, mais dans un SGBDR (Oracle, Informix, Sybase, SQL Server) ArcSDE, c'est : Un modèle de stockage Un serveur d'application, passerelle entre les logiciels ESRI et le SGBD Client Classes d'entités Tables classiques Création Consultation Mise à jour Serveur Passerelle ArcSDE SGBDR SQL Base de données

33 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données vectorielles Schéma ArcSDE Pour permettre de stocker des classes d'entités dans un SGBD, ArcSDE lui "fournit" 4 tables : Une table qui liste les classes d'entité de la base de données Géologie2 …… Peuplements1 NAMEID Liste des classes d'entités 3 tables pour chaque classe d'entités stockée dans la base de données Une pour l'information attributaire Une pour l'information spatiale (modèle spaghetti) Une pour les index spatiaux ……rocheux101 ………… ……meuble100 ……substratshape 101 …… 100 GeometryID 1 1 GX 2101 …… 1100 GYID Information attributaire Stockage géométrie Stockage index spatiaux Classe d'entités "Peuplements"

34 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données vectorielles Base de données ArcSDE Point de vue de l'utilisateur Exemple : 4 classes d'entités et une table dans une base de données intitulée Ma_base_de_données

35 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données vectorielles Les Geodatabases Le format Geodatabase, présenté par Esri au début des années 2000, n'est rien d'autre que ArcSDE agrémenté de nouvelles possibilités de stockage Geodatabase multi-utilisateur Client Classes d'entités Tables classiques Création Consultation Mise à jour Serveur Passerelle ArcSDE SGBDR SQL Base de données Métadonnées Classes de Relations Classes de topologie Jeu de classes d'entités Geodatabase multi-utilisateur Geodatabase personnelle Le modèle de données d'ArcSDE s'est de plus ouvert à la bureautique par sa transposition au SGBDR Access Geodatabase personnelle

36 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données vectorielles Les Geodatabases – Classes de relations Dans une base de données relationnelles, il y a généralement de nombreuses relations entre les tables Exemple : relation entre la table Villes et la table Régions Ces relations sont virtuelles : elles ne sont créées qu'au moment de l'interrogation par SQL Le format Geodatabase permet à l'administrateur de stocker ces relations sous la forme d'une Classe de relations Une classe de relations peut lier : Une classe d'entités à une autre classe d'entités (exemple : Communes - Régions) Une classe d'entités à une table (exemple Parcelles - Propriétaires) Une table à une autre table Les classes de relations peuvent être de type un à un, un à plusieurs ou plusieurs à plusieurs

37 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données vectorielles Les Geodatabases – Classes de relations Exemple : relation entre une classe d'entités Concessions et une table Propriétaires Concession appartient à (1,N) possède (1,N) propriétaire Modèle conceptuel Implémentation dans une Géodatabase Classe d'entités Concessions Type : polygones Classe de relation concessions - propriétaires Bidirectionnelle Cardinalité : N:M Table propriétaires

38 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données vectorielles Les Geodatabases – Classes de relations Point de vue de l'utilisateur Exemple : relation entre une classe d'entités Concessions et une table Propriétaires Click Attributs de la concession Liste des propriétaires de la concession Click Attributs du propriétaire 1

39 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données vectorielles Les Geodatabases – Classes de topologie Le modèle de stockage de l'information spatiale est non topologique Il est néanmoins possible d'établir des règles topologiques pour chaque classes d'entités, et ce selon 2 modes : Intra-classe d'entité (ex. : "il ne doit y avoir aucun trou dans ma classe d'entités parcelles", ou encore "Aucun polygones de ma classe d'entité ne doivent se superposer") Entre classes d'entités (ex. : "les entités de la classe de polylignes limites administratives doivent impérativement se superposer à celles de la classe de polygones zones administratives" ) La vérification du respect de ces règles peut se faire à tout instant via des outils d'ArcView Un jeu de 25 règles est ainsi à disposition.

40 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données vectorielles Les Geodatabases – Jeu de classes d'entités Permet de regrouper dans un répertoire virtuel des classes d'entités qui répondent à une même thématique et qui sont dans la même emprise géographique Exemples : Jeu de classes d'entités Données administratives, données physiques, etc… Point de vue de l'utilisateur :

41 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Éléments dun SIG LogicielsUtilisateurs Base(s) de données vectorielles ou maillées et Métadonnées SGBDFichiers

42 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données maillées (ou Raster) Les données sont représentées par l'intermédiaire d'une matrice A chaque cellule (ou maille, ou pixel) de la matrice est associée un valeur numérique Extrait Internet Esri France

43 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les différents types de données maillées Photos (aériennes, satellitaires, sonar, …) Variables continues (t°, altitude, …) Cartes scannées

44 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données maillées – Données multi-bandes Un raster multi-bandes est un raster composé de plusieurs raster Bande 1 : Valeurs de niveau de rouge ([0-255]) Bande 2 : Valeurs de niveau de vert ([0-255]) Bande 3 : Valeurs de niveau de bleu ([0-255]) Orthophotographie littorale : composition colorée RVB issue de la combinaison des 3 bandes (256 3 couleurs possibles)

45 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données maillées - Géoréférencement Un raster, par exemple une image numérique, est défini par ses dimensions : nombre de colonnes (NX) et nombre de lignes (NY) Sa résolution : nombre de pixels par pouce Dans un SIG, il faut être capable de placer un raster dans un repère géographique orthonormé. Un tel raster est dit géoréférencé NX NY NX = 5 NY = 4

46 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données maillées - Géoréférencement Pour qu'un raster soit géoréférencé, il faut définir : NX NY X0, Y0 Les coordonnées dans le repère d'un des points de la matrice, le plus souvent le point situé en haut à gauche : X0, Y0 Les pas en unité terrain (mètre, degré) de la matrice : DX, DY DY DX NX = 5 NY = 4 X0 = m Y0 = m DX = 15 m DY = 10 m

47 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données maillées Format GRID Format ESRI Structure complexe, semblable à celle du format vectoriel Couverture ArcInfo : Workspace : répertoire contenant au moins une grille Répertoire Info : répertoire partagé par toutes les grilles du workspace. Il contient leur information attributaire 1 répertoire par grille. Ces répertoires contiennent toutes les valeurs de la grille dont ils portent le nom Point de vue de l'utilisateur

48 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données maillées Formats Orientés SIG Formats dont les paramètres de géoréférencement sont écrits au sein du fichier Formats non compressés : –GEOTIFF : le format TIFF contient des balises dédiés au géoréférencement du fichier –Imagine (*.img) : format du logiciel ERDAS –Er Mapper (*.ers) : format du logiciel Er Mapper Formats compressés : –ECW –MrSid

49 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données maillées Formats grand public JPEG, Windows Bitmap, GIF, PNG, … Problème : où écrire les paramètres de géoréférencement ? Dans un fichier annexe (world file) qui porte le même nom que le fichier raster dont l'extension est sous la forme 1 ère lettre extension fichier raster + dernière lettre + w Exemple : jgw pour fichier jpg, bpw pour fichier bmp - DY DX X0 Y0 Paramètres de rotation (très rarement utilisés)

50 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 SIG "Ifremer" LogicielsUtilisateurs Base(s) de données vectorielles ou maillées et Métadonnées SGBDFichiers De plus en plus … ArcView, ArcInfo Erdas, Er Mapper Geodatabase SEXTANT : données de référence Des milliers de shapefiles, de couvertures ArcInfo et de raster Autocad, Adobe Illustrator Isatis Caraïbe, FishView, Adélie, VideoNav, ModelView 3D, Spatial, Geostatistical Analyst, ArcScan


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