Cours SIG

1

Système d’Information Géographique

CoursTébourbi Riadh

SUP’COM

http://www.supcom.mincom.tn/~tebourbi/cours/sig/csig.htm

Cours SIG, Tébourbi Riadh, DMAJ 20132

SIG (GIS) définition (1)

Ensemble de principes, de méthodes, d'instruments et de données à référence spatiale utilisés pour saisir, conserver, transformer, analyser, modéliser, simuler et cartographier les phénomènes et les processus distribués dans l'espace géographique.

Les données sont analysées afin de produire l'information nécessaire pour aider les décideurs (utilisateur)

(Thériault, 1992)


SIG (GIS) définition(2)

Un Système d’informations géographiques (SIG) est un système informatique permettant, à partir de diverses sources, de rassembler et organiser, de gérer, d’analyser et de combiner, d’élaborer et de présenter des informations localisées géographiquement contribuant notamment à la gestion de l’espace

(SFPT 1989)

Un SIG apporte des réponses


Un SIG est là pour répondre à des problématiques bien spécifiques à celui qui l’utilise. Voici quelques exemples de questions auxquelles un SIG peut répondre :

• Quel est l'état des routes sur une commune?• Qu'est-ce qui a changé depuis 1952?• Quelles sont les parcelles concernées par une inondation éventuelle?• Quelles sont les zones sensibles en cas d'avalanches ou de glissement de terrain?• Quel est le chemin le plus rapide pour aller de la caserne des pompiers à l'incendie?• Que se passe-t-il si une substance toxique se déverse à tel endroit?• Où implanter des postes de surveillance d'incendie de forêt?• Trouver les zones favorables à la culture du riz?• Comment évolue la déforestation en Amazonie?•Où implanter les antennes pour une meilleure couverture dans le cas de la téléphonie mobile?


Paradigme du SIG

Les SIG sont utilisés pour réaliser des descriptions de la réalité permettant d’obtenir l’information nécessaire pour répondre à une problématique.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

SIG

Action

RéalitéRéalité

DécisionDécision

DonnéesDonnées

Description du territoire et

analyse spatiale

Description du territoire et

analyse spatiale

InformationInformation

Observation et mesure

Communication


Domaines d’applications

Gestion des installation et des réseaux (STEG, SONEDE, etc…)

Télécommunications: planification cellulaire, localiser les abonnés dans le réseau fixe

Etudes urbaines: localisation, planification des transports, sélection de sites, sélection d’itinéraires, etc.

Affaires: études de marchés, analyse de la concurrence et des tendances du marché

Santé: épidémiologie, répartition des services de santé, etc.

Environnement: suivi des changements climatiques, biologiques, morphologiques, etc.

Ressources naturelles: modélisation conservation des eaux, potentiel minier, etc.


SIGQuelques applications


Planification cellulaireSimulation d’un modèle de propagation pour prédire la couverture radioélectrique dans un environnement cellulaire

Calcul de la puissance reçu en chaque point de l’espace géographique en se basant sur un modèle de propagation.


GEO-CODING

GEOCODAGE Recherche d’adresse


Calcul d’itinéraire

Trajet à distance minimale : distance = 67994 mètres Temps estimé = 67 minutes Tunis -> Ariana -> Cébalet Ben Ammar -> Utique -> El Azib -> Menzel Jemil -> Zarzouna -> Bizerte Trajet à minimum de temps : distance = 76161 mètres Temps estimé = 55 minutes Tunis -> Ariana -> El Alia -> Zarzouna -> Bizerte


Calcul d’itinéraire(2)


Contrôle et gestion de flotte Connaître à tout moment la position d’un ou plusieurs véhicules et l’historique de leur itinéraire.

Combinaison de la technologie GPS et des communications mobiles (GSM par exemple).


Cartographie sur Internet (« WEB mapping ») (1)

Evolutions Internet: • Technologies• Langages• Débit• Coûts

Besoin de mettre de l’information géographique en ligne

Plusieurs technologies existent actuellement permettant de publier des cartes géographiques sur les WEB


WEB mapping (2)

Serveur IIS

Données vecteur

Client WEB

Image


WEB mapping (3)

Serveur Apache

Données vecteur

Client WEB


SIG Mobiles

Evolution des matériels mobiles (SmartPhones, PDA, tablettes PC, …) utilisant différents moyens de télécommunications (WIFI, GPRS,..)

Emergence de nouvelles applications permettant aux utilisateurs en déplacement d’utiliser des données géographiques :

• Services Basés sur la Localisation (SBL ou LBS)• Tracking, • Navigation• Collecte et numérisation des données géographiques

directement sur le terrain, • Accès, par le biais de géoserveurs, à des données distantes

pour leur télégestion.


Navigation

Définir une destination:- Adresse (« 12 Rue Platon, Ariana »)- POI particulier (« SUP’COM »)- POI plus proche (« la banque la plus

proche »)

Conduite assistée vers destination:- Calcul et Affichage en temps réel de la

carte et du trajet (itinéraire)- Guidage vocale

DEMO FLASH

http://www.supcom.mincom.tn/~tebourbi/cours/sig/demonav_supcom.swf.html

http://www.supcom.mincom.tn/~tebourbi/cours/sig/demonav_supcom.swf.html

LBS (1)

SIG

Internet Mobilité et TIC

SIGWeb

SIGMobile

LBS

InternetMobile

Des services qui fournissent des informations en s’appuyant sur la localisation, dans l’espace et dans le temps, d’un utilisateur mobile

Côté utilisateur : Comment se géolocaliser

Côté fournisseur de service : Comment communiquer

LBS (2)

Location Based Services

Des services qui fournissent des informations en s’appuyant sur la localisation, dans l’espace et dans le temps, d’un utilisateur mobile

SIGPositionnement

LBS (3)

Location Based Services

Fonction de gestion de positionnement


LBS (4)

Services

Services d’information basé sur le positionnement

Recherche d’adresseRecherche de points d’intérêt (POI)Réseaux sociaux


LBS (5)

Services

Services de gestion de personnes et de flottes de véhicules

Suivi des personnes et des biens Marketing mobile Gestion d’interventions Aide aux personnes et services d’urgence

Web Services Cartographiques


Client mobileServeur

BD cartographique

Service web cartographique

1

23

1) Le client mobile envoie une requête au service web2) Le service web traite la requête et génère à la volée une carte raster géo-référencée à partir des données cartographiques vecteur3) Le service web envoie le résultat au client


SIGDonnées géographiques


Information géographique

= Une représentation de la réalité localisée dans l’espace et le temps.

Chaque application nécessite des données géographiques spécifiques

SIG: Système d’information intégrant des données géographiques

Données géographiques:

- Données sémantiques / Données géométriques

moyens d’acquisition


• La collecte de données sur le terrain (mesures d'arpentage, sondages, enquêtes, inventaires, ...)• L'entrée manuelle de données thématiques et temporelles (tableurs et masques de saisie des

bases de données).• La reconnaissance automatique de caractères et de symboles (OCR, reconnaissance vocale, ...)• La numérisation manuelle de cartes vectorielles (numériseur)• Le balayage optique d'images en mode matriciel (scanneurs vidéo et électromagnétiques)• La conversion entre les modes matriciel et vectoriel (vectorisation et rasterisation automatique

ou supervisée)• L'édition d'images matricielles (procédés photographiques, ...)• L'édition de cartes vectorielles (structuration topologique, ...)• La restructuration des données (changements de formats, ...)• La stéréorestitution (photo-interprétation automatisée ou manuelle en trois dimensions)• La vidéorestitution• La télédétection (imagerie satellitaire)• Le GPS

Type de données localisées


Monde réel

Mode vectoriel Mode matriciel (RASTER)


Type de données localisées

Données VecteurDonnées Raster

Données Raster


Colonne 2

Pixel (maille, cellule)

Résolution spatiale

Position ligne/colonne

Valeur

Ligne 16

Divise le territoire avec une grille régulière de cellules (pixels) ordonnées pour former une matrice. Cette dernière quadrille un espace continu où chaque pixel contient une seule valeur. On doit donc produire une image par thème (couche), ce qui utilise beaucoup d'espace disque. Les entités sont perçues de manière indirecte (par analyse).


Données Raster

Données maillées

• Images aériennes

• Images satellitaires (IKONOS, SPOT, …)

• Cartes scannées

• MNT (MNE)

Division du territoire avec une grille régulière de cellules (pixels) ordonnées pour former une matrice.

Exemples d’utilisation


l’occupation du sol

Image satellitaire



• Digitalisation de données vecteur



Calcul du Modèle numérique de terrain

MNT - MNS


DSM/DEM

DTM

DSM


Données satellitales Le vecteur (le satellite en temps que plate-forme au même titre que l'avion ou le ballon)

et le capteur (l'instrument d'acquisition des données). Ils conditionnent le format et le contenu des données

Vecteur


Données satellitales

La résolution spatiale est fonction de la dimension du plus petit élément qu'il est possible de détecter

La résolution spectrale décrit la capacité d'un capteur à utiliser de petites fenêtres de longueurs d'onde. Plus la résolution spectrale est fine, plus les fenêtres des différents canaux du capteur sont étroites.

La résolution radiométrique d'un système de télédétection décrit sa capacité de reconnaître de petites différences dans l'énergie électromagnétique

Capteur


Résolution spatiale


La structure d'une image satellitaleLors de l’acquisition il y a double échantillonnage de l'information : - spatial : la zone observée est découpée en surfaces élémentaires (pixels) caractéristiques de la résolution spatiale du satellite, - numérique : le signal analogique enregistré par les détecteurs est codé à l'aide d'entiers compris entre 0 et 255.


• Une image numérique est un tableau à deux dimensions. Ainsi, par exemple, une image SPOT de dimension 60 km x 60 km avec une taille de pixel de 20m x 20m correspond à un tableau de 3 000 lignes x 3 000 colonnes. Cette représentation des données est plus connu sous le terme de format raster.

• Par exemple SPOT étant muni de trois canaux, une image multispectrale SPOT comprend donc trois tableaux. Une image SPOT en mode multispectral est constituée de 3 000 pixels x 3 000 pixels x 3 canaux soit un volume total de 27 Mo (Méga Octets).

• • Une image de 20 x 20 km d’un satellite à très haute résolution (1 m) serait quant à

elle constituée de 20 000 x 20 000 pixels soit un volume total de 400 Mo.

• les images satellites représentent des volumes considérables de données, ce phénomène se renforçant considérablement avec l’arrivée de satellites civils à très haute résolution spatiale.


SPOTSatellite SPOT 1,2,3 SPOT 4 SPOT 5

Durée du cycle orbital

26 jours 26 jours 26 jours

Résolution Mode panchromatique (noir et blanc)

10 m 10 m 2,5 ou 5 m

Résolution Mode multispectral (couleur)

20 m 20 m 10 m

Spot 4 XS, 20 m Spot 4 Panchro, 10 m

Spot image

41

SPOT6

N&B : 1.5 mCouleur : 1.5 m (produit fusionné)Multispectral (R, V, B, PIR) : 6 m Bundle (images Pan et MS séparées)

Bandes spectrales

P : 0,45 – 0,75 µm B1 : 0,45 – 0,52 µm (Bleu)B2 : 0,53 – 0,59 µm (Vert)B3 : 0,62 – 0,69 µm (Rouge)B4 : 0,76 – 0,89 µm (proche Infra Rouge)

Emprise 60 km x 60 km

Revisite2 à 3 jours1 jour avec la constellation des satellites SPOT


IKONOS SpaceimagingHeliosynchrone, Altitude 681 km,Fauchée 11km * 11 km Orbite tout les 98 minutes 14.7 orbites / 24 heuresrépétitivité 3 jours

2 modes :

- Multispectral mode 4 bandes Bleu, Vert, Rouge, Proche Infra Rouge, résolution spatiale 4 m plus une bande Infra Rouge Thermique à 60 m

PAN mode 1 bande (le visible et le proche Infra Rouge) résolution spatiale 1 m

Scène enregistré de superficie de 121 Km2

KOMPSAT


Scene coverage: 15 x 15 kmSpatial resolution: 1 meterSpectral mode: 4 bands in the visible (red, green, blue) and near-infrared.


Exemple 3: QUICKBIRD DigitalGlobe

Mode Bande spectrale Résolution

Panchromatique 0,450 - 0,900 µm 0,61 m x 0,61 m

Multispectrale

1 0,450 - 0,520 µm 2,44 x 2,44 m

2 0,520 - 0,600 µm 2,44 x 2,44 m

3 0,630 - 0,690 µm 2,44 x 2,44 m

4 0,520 - 0,600 µm 2,44 x 2,44 m

PAN 4-bandes

GeoEye-1


Imaging Mode Panchromatic Multispectral

Spatial Resolution

.41 meter 1.65 meters

Spectral Range 450-900 nm

450-520 nm (blue)520-600 nm (green)625-695 nm (red)760-900 nm (near IR)

Swath Width 15.2 km

Off-Nadir Imaging

Up to 60 degrees

Dynamic Range 11 bit per pixel

Mission Life Expectation > 10 years

Revisit Time Less than 3 day

Orbital Altitude 681 km

Nodal Crossing 10:30 am

46

Pléiades

- 50 cm de résolution, couleur et ortho-rectifiés- 20 km d’emprise au sol au nadir, jusqu’à 100 x 100 km en acquisition Mosaïque

Produits

N&B : 0.5 mCouleur : 0.5 m (produit fusionné)Multispectral (R, V, B, PIR) : 2 m Bundle (images Pan et MS séparées)

Bandes spectrales

P : 0,45 – 0,75 µm B1 : 0,45 – 0,52 µm (Bleu)B2 : 0,53 – 0,59 µm (Vert)B3 : 0,62 – 0,69 µm (Rouge)B4 : 0,76 – 0,89 µm (proche Infra Rouge)

Emprise 20 km x 20 km

Revisite1jour

Flotte de satellites Astrium

Pléiades 1A

Pléiades 1B

SPOT 7

SPOT 6

TerraSAR-XTanDEM-X

PAZ

Images multi-sources et multi-résolution de 25 m à 50 cm (satellites optiques et radar, imagerie aérienne):

SPOT 1 à 4, SPOT 5 et 6, Pléiades 1A, Pléiades 1B, TerraSAR-X, TanDEM-X, DEIMOS…

Large gamme de couvertures et grande capacité de revisite:

Fauchée de 15 km à 600 km; Chaque point de la Terre couvert au moins

une fois par jour.


Les données VecteurUne représentation géométriques des objets de la réalité

3 Modes de représentation des données spatialisées :- les points (localisation ponctuelle d'un chef lieu, d'une source, etc...) - les arcs -ou linéaires- (voie routière ou ferroviaire, cours d'eau, etc...) -les surfaces -ou polygones- (parcelles, subdivisions administratives, etc...)

Utilisation du concept d’objets géométriques à dimensions variables (points, lignes et polygones) pour représenter les entités (naturelles ou anthropiques) distribuées sur le territoire.Chaque entité est représentée par un objet localisé dans un système de coordonnées. Cet objet est relié avec un tableau d'attributs qui contient les valeurs thématiques décrivant l'entité représentée


Encodage des données en mode Vectoriel

Point : Une paire de coordonnées (X,Y) servant à exprimer la localisation dans un espace cartésien ou géographique.

Ligne : une suite continue de segments de droites permettant de représenter les sinuosités naturelle de l’entité. Chaque segment est limité par deux points et c'est la suite des coordonnées des points intermédiaires qui permet de représenter la ligne dans le système informatique.

Polygone : Peut être représenté comme étant une ligne fermée.


Organisation des données en mode vectoriel

• En format vectoriel, les entités géographiques sont représentées par des objets.

• La base de données est scindée en deux parties complémentaires: la géobase qui conserve la description géométrique des objets et les tableaux d'attributs qui composent la base de données thématiques.

• Le stockage des données vectoriels dépend du format utilisé (format souvent lié au logiciel utilisé)

exemple: points, lignes , polygones


Format , « spaghetti » et vectoriel connecté

• Le format vectoriel simple (appelé spaghetti) est constitué de lignes indépendantes qui se croisent sans produire de jonction.

• Le format vectoriel connecté est constitué de lignes qui sont scindées avec des noeuds aux intersections. Chaque partie de ligne comprise entre deux noeuds forme une chaîne.


Connexité d’un réseau

Il est possible de transformer une géobase du mode spaghetti au mode connecté avec des procédés de nettoyage qui établissent la connexité

Faire attention: Le réseau n’est pas forcément connecté:


Raster ou Vecteur ?Le mode Raster:

plus simple car les données sont stockées sous forme de matrices et sont de ce fait faciles à manipuler par ordinateur. De même, les croisements de données sont faciles à réaliser, puisque toutes les données sont ramenées à la même unité de base, la cellule (ou pixel dans l’image).Enfin, les données en mode Raster se prêtent très bien à certains types de traitements numériques, classiques en traitement d’images : filtres, convolutions, classifications.

Inconvénients:

Importance de la capacité mémoire nécessaire à stoker les données : il y a en particulier redondance lorsqu’un grand nombre de cellules contiguës sont porteuses de la même information.Nécessité d’avoir un Raster par couche d’information spatiale.D’autre part, du fait que l’espace est maillé, les mesures de distances et de surfaces se trouvent faussées. L’erreur dépendra de la résolution (dimension du pixel).


Raster ou Vecteur ? (2)Le mode Vecteur:

répond au souci de représenter un objet réel de manière aussi exacte que possible. L’espace des coordonnées est continu et non discrétisé, la localisation des objets, leurs dimensions, les distances, sont calculées avec précision. Le volume de la base de données est fonction de la complexité des arcs et des polygones, et de la densité des points servant à représenter les arcs.

Inconvénients:

Les croisements de couches d’information sont délicats et nécessitent une topologie parfaite : des erreurs (comme un polygone mal fermé), peuvent poser problème.


SIG Systèmes de coordonnées


Système de référence homogèneLes données géographiques (à référence spatiale) sont issus de

plusieurs sources (vecteur, raster, mesure terrain, etc..)Il est nécessaire de travailler dans le même système de

coordonnées.


Coordonnées géographiques

Un point est repéré par sa Latitude et sa Longitude

On définit une ellipsoïde pour modéliser le globe terrestre (qui approxime au mieux le volume terrestre)

Longitude: 10.183277 E

Latitude: 36.890959 N

Parc Technologique El Gazala


Projection

Distance(A,B) ?

Périmètre(« Tunisie ») ?

Surface(« Tunisie ») ?

…

Longueur d’une route

ou d’un fleuve ?

Projection d’une « sphèroide » (la terre) sur un plan (2D).


Systèmes de projection Mathématiquement, la projection sera une fonction qui à un ellipsoïde (ou à un morceau d’ellipsoïde) fera correspondre un plan de projection (ou une partie de plan)


Systèmes de projection(2)

La surface approximée n’est pas une surface développable : il est donc impossible de la reporter sur le plan sans la déchirer ou l’altérer. On ne peut donc pas conserver l’intégralité des propriétés géométriques (angles, distances et surfaces) de la surface à représenter. La méthode de projection retenue constituera donc un choix des caractéristiques à privilégier.

La méthode de projection consiste à projeter l’ellipsoïde sur une surface développable.


Les surfaces développables• Une projection est établie en effectuant le report des positions sur la Terre vers un

plan de projection localisé par rapport à la sphère terrestre.• Les projections permettent de transformer les coordonnées sphériques (de latitude

et longitude) en coordonnées cartésiennes (x,y généralement en mètres), afin de permettre leur représentation sur le plan cartographique.

• Cette transformation fait appel à la trigonométrie sphérique et produit des déformations d’angle ou de superficie.

• Une projection peut être décrite par des paramètres de forme, de position, d'aspect, de méthode, de référence, ...

• Les surfaces développables définissent les formes de projection de nature géométrique.


Propriétés des projectionsOn distingue deux grandes familles de projections :

- les projections conformes conservent sur le plan les angles observés sur la surface terrestre. En font partie les projections les plus utilisées : projections coniques conformes de Lambert, projections de Mercator, projections stéréographiques.

- les projections équivalentes conservent les rapports de surface et modifient les angles.


Aspect de la projection• L'aspect de la projection est déterminé par la position et l'orientation des

méridiens et des parallèles de référence utilisés pour définir le plan de projection.

• Une projection est dite en aspect équatorial lorsque le parallèle de référence du cylindre ou le point central du plan azimutal est situé sur l'équateur terrestre.

• Une projection est dite en aspect transverse lorsque le cylindre touche la terre le long d'un méridien.

• Une projection est en aspect oblique dans tous les autres cas.


La position du plan de projection

• La position du plan de projection peut être tangente à la surface lorsqu'il ne touche la surface qu'en un seul point ou le long d'un seul axe.

• Elle est sécante lorsqu'une partie du plan est située sous la surface.


Les types de perspectives• Les méthodes de la perspective géométrique avec un point de fuite sont

souvent utilisées pour effectuer des projections cartographiques.• La perspective gnomonique place le point de vue au centre de la Terre.• La perspective stéréographique place le point de vue à l'antipode du

centre de la carte.• La perspective orthographique place le point de vue à l'infini.


La projection UTMC'est une projection cylindrique transverse

Le globe est divisé en soixante zones nord et sud Le méridien // est l’équateur (central parallel = 0°)

Chaque zone (fuseau) a son méridien central (central meridian) et a une distance de 6 degré

Chacun de ces fuseaux a un système de coordonnées planes indépendant dont l'axe de Y coïncide avec le méridien central et l'axe des X avec l'équateur

En Y, la valeur est 0 mètre (False northing) pour le nord et elle est de 10000000 pour le sud . En X on attribut la valeur de 500 000 mètres (False easting)

C'est une projection qui est conforme. C'est à dire qu'elle représente fidèlement les petites formes et qu'il y a une distorsion très minimale


UTM zone 32 N et 28 N

9 °

X=500000, Y=0

Central méridian: 9°Central //: 0°

False Easting: 500000

False northing: 0

0°

Central méridian: -15°Central //: 0°


False northing: 0Sénégal

-15 °


Projection conique conforme de Lambert

Projection standard pour représenter des cartes des régions dont l'étendue est-ouest est importante comparée à leur étendue nord-sud

C'est une projection conique qui est basée sur deux parallèles de référence qui changent avec la région cartographiée

Cette projection permet de conserver les formes. Il y a distorsion minime près des parallèles de référence


Projection conique conforme de Lambert

Nord Tunisie:

Central // (ref latitude): 40G (36°)

Standard //1: 40G (36°)

Central méridian: 11G (9.9°)

Standard // 2: 0°


False northing: 300000

Sud Tunisie:

Central // (ref latitude): 37G (33.3°)

Standard //1: 37G (33.3°)


Lambert Nord Tunisie

0°

36°

9.9°

X=500000, Y=300000

Les outils de traitement


Commerciaux

…. Tatukgis, GeoConcept, IDRISI, SuperGeo, etc.

Bentley Systems : Microstation

Pitney Bowes : MapInfo

ESRI: ArcView, ArcGis Descktop, Arcinfo

Hexagon - Intergraph: Geomedia

Les outils de traitement


Free – Open source

GRASS GIS

Quantum GIS

MapWindow

Technology

Cours SIG