ArcGIS pour les Nuls

1. Introduction à la géomatique

PLAN

Qu’est-ce qu’un SIG?

Vocabulaire géographique

Modèle vectoriel

Modèle matriciel

Géoréférence et systèmes de coordonnées

• Branche de la géographie qui a recours à l’informatique • L'ensemble des outils et méthodes permettant

d'acquérir, de représenter, d'analyser et d'intégrer des données géographiques

• Terme né dans les années ’60 au Québec

GÉOMATIQUE contraction des termes géographie et informatique

Géomaticien = Gestionnaire de données spatiales

SIG Système d’information géographique

• C’est un système d’information composé de : – Ordinateurs et périphériques – Logiciels spécialisés – Données numériques – Personnel qualifié – Utilisateurs

Qui gère de l’information de nature géographique • C’est un système informatique permettant :

– l’acquisition – la gestion – l’analyse – la visualisation de données géographiques numériques

Pour étudier les phénomènes se produisant sur la terre

Pourquoi utiliser un SIG? Système d’information géographique

• Pour intégrer des données multi-sources (cartes, photos, images, …)

• Pour faire des requêtes et visualiser les résultats

• Pour faire de la cartographie

• Pour faire des analyse spatiales

• …

Technologie hardware + software

Expertise “liveware”

SIG

Prise de décision

Données

GESTION DU

TERRITOIRE

Connaissance

Collection de faits et d’observations recueillies sur des choses, des phénomènes, des lieux … représentés sous la forme de valeurs numériques

Résultat du traitement des données présenté sous une forme utile à l’utilisateur

Compréhension d’un phénomène résultant de l’analyse de l’information. Valeur ajoutée ++

Information

Le SIG comme outil d’aide à la décision

Où? Quoi? Pourquoi? Comment? Scénario futur?…

GESTION DU

TERRITOIRE

5. acteurs

3. logiciel

2. matériel

1. données géographiques 6. territoire

SIG

4. méthodes

Composantes d’un SIG

1. Données géographiques

Données numériques localisées dans l’espace selon un système Coordonnées géographiques (X,Y) ou (X,Y,Z) Ou Coordonnées projetées (mètres)

1. Données géographiques

FONCTION CLÉ: Le SIG a la capacité de superposer plusieurs cartes / jeux de données Ceci permet de croiser géographiquement les données

Données spatiales Couches

Une couche de données est un ensemble d’entités spatiales avec leurs localisation, topologie (point, ligne, polygone) et attributs

Ces trois couches se superposeront parfaitement dans la mesure où leurs données respectives sont géoréférencées avec la même précision

Données spatiales Métadonnées • Données sur les données

• Description et détails sur le jeu de données. Devrait contenir l’origine, l’auteur, les détails de sa structure (codes, lexique, abbréviations)…

• Permet à d’autres utilisateurs de comprendre et d’utiliser les données (en vue de partage)

FORMATS DE DONNÉES

Vectoriel • Shape

– Format propriétaire d’ESRI (ArcView, ArcGIS)

• Geodatabase – Nouveau format d’ArcGIS, mais encore peu adopté

• Coverage – Format ancien de ArcInfo

• E00 (ungenerate) – Format d’Import/Export d’ArcInfo (comme un .zip)

• MID/MIF (MapInfo Interchange File) – Format d’Import/Export de MapInfo

• DLG (Digital Line Graphs) – Utilisé pour les cartes topographiques (USGS)

• DXF (Data Exchange Format) – Format d’Import/Export d’Autocad

FORMATS DE DONNÉES

Shapefile (fichier de formes)

• feux_7211.dbf données attributaires

• feux_7211.prj info sur projection

• feux_7211.sbn fichier index

• feux_7211.sbx fichier index

• feux_7211.shp données spatiales (topologie)

• feux_7211.shx fichier index

*Attention à avoir tous les fichiers pour exporter!

FORMATS DE DONNÉES

Matriciel • GRID

– Format standard des matrices d’ESRI

• BMP (Bitmap) – Standard d’image dans les applications MicroSoft Windows

• TIFF (Tag Image File Format) – Utilisé pour le stockage d’images numériques

• GEOTIFF – Extension du format TIFF qui contient de l’information sur la

géoréférence des données facilitant ainsi leur échange entre différents SIG

• GIF, JPEG – Utilisés pour la transmission d’images sur le WEB

L’échelle est le rapport entre la mesure de la taille d’un objet réel et la mesure de sa représentation (carte, maquette, etc.) Elle est exprimée de façon numérique généralement fractionnaire Une unité sur la carte = Une unité sur le terrain Ex.: 1/50 000 1cm sur la carte = 50 000 cm ou 50 m sur le terrain Ex.: 1 : 1 000 000 1 m sur la maquette = 1 000 000 m ou 1000 km en réel

La notion d’échelle

Une carte à petite échelle représente un grand territoire…

Une carte à grande échelle représente un petit territoire

La notion d’échelle Échelle numérique Toujours exprimée par une fraction et le numérateur est toujours 1. Le dénominateur indique le facteur de réduction. 1/50 000 ou 1: 50 000 ou 1 50 000

Échelle graphique L’ensemble de lignes droites représentant sur la carte l’échelle numérique. Cette échelle est divisée en différentes unités de mesure et parfois en deux parties : à gauche du zéro, le talon de l’échelle et à droite du zéro, l’échelle.

On favorise l’échelle

graphique

structure vectorielle structure matricielle

SIG Deux modèles de structures de données géographiques

MODÈLE VECTORIEL

Structure qui permet de manipuler et de représenter les données graphiques d’après les coordonnées de points individuels auxquels on

peut ajouter des attributs.

On distingue trois principaux types de composantes: point, ligne, polygone

Définis par la géométrie euclidienne à 2 dimensions

X

Y

MODÈLE VECTORIEL Composante Représentation

graphique Représentation dans un fichier

point id,x,y

ligne id, N

x1,y1

x2,y2

...

xN,yN

x1,y1 est différent de xN,yN

polygone id, N

x1,y1

x2,y2

...

xN,yN

x1,y1 est identique à xN,yN

Identificateur (id)

Attribut #1

(Nom)

Attribut #2

(Population)

1 Montréal 1 800 000

2 Westmount 25 000

... ... ...

id : identificateur N : nombre de points définissants l’objet

Base de données reliées aux éléments vectoriels

1 élément dans la carte =

1 ligne dans la table

MODÈLE VECTORIEL En mode vecteur les primitives géométriques se ramènent à un tableau

de coordonnées X,Y définissant les vertex et nœuds des formes.

vertex

vecteur

MODÈLE VECTORIEL TOPOLOGIE

Entités distinctes Entités occupant

tout l’espace Entités qui se

superposent Source: Goodchild et al. (1996)

La topologie est une description

des relations spatiales des

objets entre eux. Ex. :

‘est à côté de’ ‘inclu’

‘intersecte’

MODÈLE VECTORIEL

Distribution irrégulière des entités spatiales

Représentation géométrique des entités

Frontières explicites

Localisation précise et unique

Attributs et entités reliés par un numéro d’identification

Représentation très efficace de la topologie

MODÈLE MATRICIEL

Structure qui permet de manipuler et de représenter l'information cartographique à

partir d'une matrice de cellules (pixels) qui possèdent certains attributs de teinte et de couleur.

L’espace géographique se trouve subdivisé de façon régulière en cellules de même forme et de même dimension.

La localisation est définie par la position en ligne et en colonne dans la matrice, les coordonnées géographiques ou projetées d’un point de référence et la dimension de la cellule (informations contenues dans le “header”)

La valeur numérique attribuée à chaque cellule correspond à la valeur d’attribut (un seul)

Les démarcations se produisant aux limites des ensembles de cellules de même valeur ne correspondent pas nécessairement aux frontières des entités sur le terrain

Matrice (raster)

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 1 1 1 0 0 0

0 0 1 1 1 0 0 0

0 0 0 1 1 0 0 0

0 0 0 0 2 2 2 0

0 0 0 2 2 2 2 0

0 0 0 0 2 2 2 0

0 0 0 0 0 2 2 0

Table d’attributs (légende …)

Valeurs de la matrice

Attribut

0

1 Municipalité "A"

2 Municipalité "B"

Valeurs de la matrice

Couleur (r,v,b)

0 (255,255,255)

1 (128,128,128)

2 (64,64,64)

Table de couleurs

Essentiellement une matrice de valeurs ou une image (ou raster) formée de pixels (une valeur par pixel) Modélisation de l’information continue (structures difficilement identifiable à l’œil, champs)

Photos, élévation, température, etc…

image satellite MNA

modèle numérique d’altitude

Cartes scannées

photo. aérienne

Exemples de données matricielles

Exemples de données matricielles

Une image = un fichier = une variable = une couche

•Image1 - Température

•Image2 - Élévation

•Image3 - Photo

Souvent plusieurs bandes par images Les images couleurs, par exemple, sont

composées d’une bande de rouge, une

bande de vert et une bande de bleu

Précision défini par la résolution – «cell size»

Vectoriel Matriciels

Quickbird (0.6m) Landsat ETM+

Pansharpened (15m) Landsat ETM+ (30m)

Codage des valeurs numériques

2 8 16 256

Niveaux de gris

BIT : Binary Digit valeur binaire 0 ou 1 Codage sur 1 bit : 21 : 2 niveaux [0 1] Codage sur 4 bit : 24 : 16 niveaux [0,1,2 .. 15] Codage sur 8 bit : 28 : 256 niveaux [0,1,2 .. 255] Codage sur 16 bit : 216 : 65536 niveaux [0,1,2 .. 65535]

QUEL MODÈLE UTILISER? Les modèles vectoriel et matriciel offrent deux

représentations distinctes et complémentaires du monde réel, chacun devant être adapté à l’application particulière de l’utilisateur

Deux critères principaux doivent guider le choix du modèle :

le type d’analyse à réaliser

l’échelle d’étude

VECTORIEL MATRICIEL

Forme vectorielle = liste de points(X,Y) Grille = grid = matrice

Table de données associée au vecteur 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 1 1 1 1

2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 1 1 1

2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 1 1 1 1 1 1 1

2 2 2 2 2 2 1 1 3 3 3 1 1 1 1 1 1 1

2 2 2 2 2 1 1 1 3 3 3 1 1 1 1 1 1 1

2 2 2 2 1 1 1 3 3 3 3 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 1 1 1 3 3 3 3 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 1 1 1 3 3 3 3 3 3 1 1 1 1 1 2 2 2 2 1 1 1 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 2 1 1 1 1 1 3 3 3 3 3 3 3 1 1 3 3 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 3 3 3 1 1 1 3 3 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Pas de table : 1 valeur par cellule de la matrice

Massif forestier dans une carte d’occupation du sol

1 couche vecteur = n champs = n attributs = n informations 1 couche raster = 1 seule information / pixel

VECTORIEL MATRICIEL

Massif forestier dans une carte d’occupation du sol

Structure objet

représentation explicite des objets

Pas de structure objet

Représentation implicite des objets

En cliquant on peut accéder

au polygone de l’objet forêt

Et à tous ses attributs

En cliquant on ne peut accéder

qu’à la valeur d’un pixel

L’objet forêt n’existe pas

en tant que tel

VECTORIEL MATRICIEL

Massif forestier dans une carte d’occupation du sol

Pas de représentation explicite de l’espace Représentation explicite de l’espace

VECTORIEL MATRICIEL

Massif forestier dans une carte d’occupation du sol

X Vecteur : éditable modifiable raster : pas modifiable point à point

VECTORIEL MATRICIEL

Massif forestier dans une carte d’occupation du sol

rasterisation

vectorisation VECTEUR « RASTER »

QUEL MODÈLE UTILISER?

Vectoriel localisation précise des données

description topologique exhaustive

gère les réseaux

présentation graphique supérieure

volume réduit des données (espace disque)

structure plus ou moins complexe

mise à jour aisée (édition facile)

la réalisation d’opérations nécessitant la superposition de plusieurs planches d’information requiert des calculs complexes

mal adapté aux analyses et simulations

convient généralement mieux aux études à échelle locale

Matriciel localisation liée à la dimension de la

cellule. aucune description topologique structure inadéquate pour les réseaux représentation graphique liée à la

dimension de la cellule (pixel). Lorsque la taille de la cellule est importante, on observe un effet d’escalier sur la représentation graphique.

volume important des données (espace disque)

mise à jour complexe (édition longue et pénible)

structure simple superposition aisée des diverses

planchesd’information très bien adapté aux analyses et

simulations (analyse de coût/poids) convient mieux à l’édude synoptique de

phénomènes régionaux ou globaux

PEUT-ON COMBINER LES 2? • Routes (vectorielle)

• Zonage (vectorielle)

• Limites administratives (vectorielle)

• Hydrographie (vectorielle)

• Élévation (matricielle)

• Photo du terrain (matricielle)

RÉFÉRENTIEL GÉOGRAPHIQUE

Comment peut on réaliser des cartes planes à partir

du globe terrestre en volume ?

Les modèles de forme de la terre au cours des âges

Géodésie

terre plate

+75 m

-111 m

Aujourd’hui

géoïde sphère

Pythagore Antiquité

ellipsoïde

Huyghens 17e

temps

39,939 km (axe y) vs

40,075 km (axe x)

Le géoïde terrestre

Géodésie

Le géoïde représente la surface équipotentielle du champ de gravité de la terre qui coïncide avec le niveau moyen des océans

Représentation de la terre par un « patatoïde » en creux et en bosses

Précision liée au type de modélisation du globe

Géodésie

précis précis

Ellipsoïde global Ellipsoïde local Géoïde

- +

Les ellipsoïdes terrestres

Ellipsoïdes

WGS 84 : World Geographic System 1984

Différents ellipsoïdes sont utilisés en cartographie (« datum »)

Ellipsoïde local Exemple: North American Datum

(NAD 1983)

Les ellipsoïdes locaux (« datum »)

Prendre un ellipsoïde de référence avec un

point décalé du centre de la terre « offset ».

Plusieurs datum peuvent ainsi être associés au

même ellipsoïde, et ainsi à plusieurs régions

terrestres différentes.

Le datum indique un nouveau centre

arbitraire de la terre.

C’est un ‘modèle de surface terrestre

régional’ de la terre ou un ellipsoïde local.

Souvent basé sur une plaque tectonique

Source: Manifold - http://www.georeference.org/doc/manifold.htm Un ellipsoïde et 2 datums

Les ellipsoïdes locaux (« datum »)

Les ellipsoïdes locaux (« datum ») les plus communs

NAD83 vs WGS84 Au Québec: décalage horizontal de 1,5 m et décalage vertical de 1,5 m

Les ellipsoïdes locaux (« datum ») les plus communs

NAD 27 (pieds) North American Datum 1927 | Basé sur l’ellipsoïde de Clarke 1866

NAD 83 (mètres) North American Datum 1983 | Basé sur l’ellipsoïde Geodesic

Reference System GRS 80 (précision satellitaire). Utilisé pour les cartes

topographiques en Amérique du Nord (incluant le Québec et le Canada). Point de

référence: le centre de la terre.

WGS84 (mètres) World Geodetic

System 1984 | Basé sur l’ellipsoïde

Geodesic Reference System GRS 80

(précision satellitaire). Le plus

commun des datum, tous les GPS

ont ce datum par défaut.

Ellipsoïdes locaux (« datum »)

Ellipsoïdes locaux (« datum »)

Une même ellipsoide peut être utiliser pour plusieurs datum

(ex. GRS 1980).

Les coordonnées Lat/long calculées selon un datum ne sont

valides qu’avec ce datum. (Des coordonnées calculées en NAD 27 ne sont pas valides en NAD 83).

Si on veut visualiser des coordonnées dans un autre datum, la

position sera recalculée (reprojetée) et ainsi de nouvelles

coordonnées seront générées.

Il est impossible de travailler dans un projet sur ArcGIS avec des

données de datum différents.

SYSTÈMES DE COORDONNÉES

Le système de coordonnées cartésien

la « localisation géographique » se fait à partir d’un système de coordonnées

Deux types: • Géographique • Projetée (ou plane)

SYSTÈME GÉOGRAPHIQUE

Longitude = méridiens | Latitude = parallèles

SYSTÈME GÉOGRAPHIQUE

Longitude = méridiens | Latitude = parallèles

RÉFÉRENTIEL GÉOGRAPHIQUE

La projection cartographique est une transformation géométrique

permettant de représenter sous la

forme d’une carte plane

la réalité 3D du globe terrestre

SYSTÈME PROJETÉ

Vers une projection cartographique

Globe terrestre Carte plane Projection

Les coordonnées planes obtenues par

transformations mathématiques permettent des mesures directes sur la carte

Vers une projection cartographique

Système projeté

Espace 3D : ellipsoïde terrestre espace 2D : plan cartographique

La projection est la correspondance analytique entre : 1 point (latitude, longitude) de la surface de l’ellipsoïde terrestre et 1 point homologue du plan cartographique (X , Y) X = f(latitude, longitude) Y = g(latitude, longitude) f et g sont deux fonctions continues qui définissent la projection.

longitude

latitude

x

y

Types de projections

Système projeté

en fonction de la position de la surface de projection

projection tangente projection sécante

en fonction de la surface de projection

conique cylindrique Azimutale/plane

en fonction des déformations liées à la projection

Zone la plus précise, sans distorsion

Les déformations

Système projeté

Les projections sont des tentatives de représenter la surface « ronde » de la terre sur une surface plane (3D vs 2D). Différentes

formes de distorsion découlent de ce procédé : forme, distance, direction, surface… mais pas toutes pour tous ces points. En dépit des problèmes reliés à la distorsion, toutes les projections conservent un élément important,

c'est-à-dire la précision de la localisation.

Projections conformes

Projections équivalentes

Elles préservent les formes et les angles mais pas les rapports de surfaces

Elles préservent les rapports de surfaces mais pas les formes et les angles

Pourquoi utiliser une projection?

Système projeté

Trois principales raisons en faveur de l’utilisation d’une projection

Car c’est plus esthétique. La carte a l’air plus “normale”

Pour permettre la mesure des distances et des aires sur les cartes papiers

Pour permettre de facilement mesurer des éléments linéaires lors d’analyses

Le point de référence

Système projeté

Source : http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/mapproj/gif/threepro.gif

Peut devenir un problème en SIG…

Source: http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/mapproj/mapproj_f.html

Lambert préserve les formes Albers préserve les surfaces

Exemples de projections

Exemples de projections

• Très populaire, à la base de la cartographie de presque tous les pays

• Grande distorsion aux pôles

Projection cylindrique de Mercator

Exemples de projections

Universel Transverse de Mercator (UTM)

Universel Transverse de Mercator (UTM)

Le globe est divisé en 60 zones de 6° de longitude de large (360 km à l’équateur).

Les numéros de zones croissent d'ouest en est à partir du méridien 180°, allant de 1 à 60.

Chacune des zones est centrée sur un méridien de façon à ce qu'il y ait 3° de chaque côté de ce méridien central.

Les longitudes Eastings sont données en mètres en prenant pour origine le méridien central, celui-ci est considéré comme ayant une coordonnée en x de 500000m. Si l'on est à l'ouest de ce méridien central on soustrait de 500000 la distance (en mètres) à laquelle on se trouve du méridien. Si l'on est à l'est de ce méridien central on additionne à 500000 la distance (en mètres) à laquelle on se trouve du méridien.

Les latitudes Northings sont données en mètres en prenant pour origine l'équateur. Pour l'hémisphère nord, la valeur de y à l'équateur est 0 et on additionne la distance (en mètres) à laquelle on se trouve de l'équateur. Pour l'hémisphère sud, la valeur de y à l'équateur est 10 000 000 et on soustrait de cette valeur, la distance à laquelle on se trouve de l'équateur.

Exemples de projections

Il s'agit d'un système de projection utilisé seulement au Québec. Le territoire québécois est divisé en 8 zones de 3° de longitude de large (180 km).

Les zones sont numérotées de 3 à 10 débutant aux Iles-de-la-Madeleine et se terminant

en Abitibi.

Chacune des zones est centrée sur un méridien de façon à ce qu'il y ait 1,5° de chaque côté de ce méridien.

L'origine en x est située sur le méridien central et possède une valeur de 304800m; Eastings.

L'origine en y est située sur l'équateur et possède une valeur de 0 pour l'hémisphère nord; Northings.

Le calcul des positions relatives des objets s'effectue de la même façon que pour le système UTM.

Modifié Transverse de Mercator (MTM)

Projections coniques

Coniques: très utiles pour l’hémisphère nord

Albers conique

Lambert conique conforme : utile pour représenter les grands territoires, surtout en Amérique du Nord

Projections azimutales

Azimutales: très utiles pour les pôles

Lambert azimutale

Principaux paramètres définissant une projection

type d’ellipsoïde et ses caractéristiques

type de projection : cylindrique, conique …

points ou courbes origines de la projection

méridien et parallèle centrés sur la projection

facteur d’échelle (dilater / serrer)

offset est = false easting = décalage en X

offset nord = false northing = décalage en Y

de manière à toujours avoir

des coordonnées positives

dans la zone couverte par la projection

Paramètres d’une projection

Exemples de projections