Quelques problèmes d’intéropérabilité de SIG : raboutement et ontologies

Robert Laurini

INSA de Lyon

http://lisi.insa-lyon.fr/~laurini

Table des matières

• I – Généralités sur l’intéropérabilité

• 2 – Raboutement des BD géographiques

• 3 – Interopérabilité sémantique

• 4 – Projet Towntology

• 5 – Conclusions

Visions de l'interopérabilité

Intéropérabilité

• Intéropérabilité des données et des traitements

• Rêve des utilisateurs, cauchemar pour les informaticiens

• Interopérabilité totale: impossible actuellement

• Open GIS

Problématiques de l’intéropérabilité

• Problèmes

• Définition

• Niveaux d’intéropérabilité

Nécessité de l’intéropérabilité

• "Legacy systems"

• Variété des logiciels, des applications, des gestionnaires

• Difficulté de réécriture et de réutilisation

• Connexion entre les sites

Définition de l'intéropérabilité

"Capacité technique des applications

d’organismes différents à coopérer

sans conflits de systèmes,

de logiciels ou de contenu.".

Bien évidemment, on se refuse de créer totalement un nouveau systèmeà partir des autres ; mais on accepte de créer des méthodes et/ou des outils

pour permettre l’intéropérabilité

Niveaux d’intéropérabilité

Niveausyntaxique

Niveausémantique

Applications

Accès aux bases de données

Appel desprocédures distantes

Fichiers

Protocole de réseaux

INTEROPERABILITE

Fichiers

Protocole de réseaux

Applications

Accès aux bases de données

Appel desprocédures distantes

Niveaux d’intéropérabilité

• Syntaxique: – au niveau des types abstraits des attributs

(valeur)– au niveau des schémas (relations)

• Sémantique: – au niveau de la signification des données

• définition des données et des attributs• géométrie et topologie

Exemple des routes

• Distances (km ou miles) syntaxique

• Routes et autoroutes sémantique

• Mais qu’est ce qu’une rue (du point de vue informatique) ?

« Nous avons le fichiers des rues ! »

Le fichier des rues ?Oui, nous l’avons

Le fichier des rues ?Oui, nous l’avons

Le fichier des

rues ?Oui, nous l’avons!

Rues privées

Eboueurs Postiers Gaziers

Rues publiques

Rues avec gaz

Rues sans gaz

Non

Oui

?

?

Oui

Oui

?

?

??

Généralementoui

Oui

Non

234 251 241

« Nous avons le fichiers des rues ! »

Multiplicité des représentations

Responsabledu trafic routier

Rue représentéecomme un

volume

Responsabledes réseauxsouterrains

Responsabledu cadastre

Rue représentéepar unesurface

Responsabledu revêtementdes chaussées

Rue représentéepar deux

polylignes

Rue représentée par un graphe

Modèle de l'OpenGIS

• Consortium d’entreprises, de centres de recherches et d’administrations

• Intéropérabilité des applications géographiques

• Standards

• http://www.opengis.org

Modèle de l'OpenGIS

Solution ESRI: syntaxtique

Diversité des couches d’information

BD dugaz

BD desbâtiments

BDCadastre

Couvertures géographiques

BDZone A

BDZone C

BDZone B

Thématiques et couvertures

• Même couverture spatiale, diverses couches de données

• Couvertures spatiales différentes, couches de données similaires

• Couvertures spatiales contiguës, couches de données similaires

Exemples

• Pollution du Léman

• Suivi du Rhin

• Méditerranée

• Projets transfrontaliers

• Transports internationaux

• Croisement de diverses sources de données

• …

Hypothèses communes

• Existant– Contiguïté des couvertures géographiques, ou bien

légères superpositions– Couches de données similaires– SGBD ou SIG différents– Pas de changements dans les BD locales

• Objectifs : transparence– Une seule couverture géographique– Langue(s) de travail– Définition consensuelle des attributs

Problèmes à résoudre

• Raboutement des BD géographiques– Cartographique– Sémantique– Sémantico-géographique– Topologique

• Création d’une ontologie de domaine

2 – Raboutement des BD géographiques

• Importance du raboutement des cartes Raboutement des BD géographiques

• Projections, et systèmes de références différents

• Tenir compte de la qualité de l’information

• Erreurs de mesure

Différences géométriques

Tuyaux d’eau Tubi peril gas

Superposition

BD de la Comp.du Gaz

BD de la Compagniedes Eaux

Différences aux frontières

BD 1

BD 2

BD 1

BD 2

Bande de correctionà la frontière

Exemple de raccordement

Zone B

Zone B

Bâtimentartificiellementcoupé en deux

RivièreC

Affluentde la rivière C

Routes

Site A

Site B

RN 75

RN 75

RD 65

RD 73

Au voisinage des frontières

• Les tracés des frontières sont différents

• Non alignement des objets (ex routes)

• Objets artificiellement coupés (fleuve, bâtiment, etc.)

• Objets ou portion d’objets absents à cause de la différence des spécifications des BD

Forçage

Bâtiment

Sens duforçage

Zone A

Zone B

RN 75Qualité qa

Qualité qb

Points homologues

• Choix des points homologues• Calcul des nouvelles valeurs des coordonnées

des points homologues (en fonction de la qualité respective des BD)

• Alignement des altitudes selon le géoïde considéré

ba

bbaa

ba

bbaa

qq

qYqYY

qq

qXqXX

Formules de rubber-sheeting

FyExDY

CyBxAX

• Rubber-sheeting linéaire

• Rubber-sheeting bilinéaire

HyGxFxyEY

DyCxBxyAX

Exemple de terrains contigus

Limite du terrain A

Zone intermédiaire

Limite du terrain B

BD A

BD B

Solution

Extrait des bases de donnéesà raccorder

Unification du modèle par des triangles.Création de triangles complémentaires

dans la zone intermédiaire

Bande élastique

BD 1 BD 2

BD 3

Forçage des points aux frontières en milieu urbain

Largeur de labande élastique

Points à forcer

Commune A

Commune B

Commune A

Commune B

Résolution d’une requête à chevalsur deux BD spatiales

Points homologues

Zone A

Zone B

Points homologues

Site A Site BZone à transformer élastiquementlorsque B présenteune demande à cheval sur A

Zone à transformer élastiquementlorsque A présenteune demande à cheval sur B

Requêtespatialedepuis A

Zone sansmodification descoordonnées

Zone sansmodification descoordonnées

Zone avecmodification descoordonnées

Raboutement et raccordement

• Raboutement cartographique

• Raccordement sémantique

• Raccordement topologique

Raboutement cartographique

• Correction des différences• Forçage au voisinage des frontières

• Seulement au niveau cartographique

les cartes paraissent belles pas de requêtes possibles sur la frontière

Raccordement sémantique

• Reconstruction des objets artificiellement coupés (rivières, etc.)

ce sont des objets uniques ayant des morceaux dans différentes BD

il est possible de lancer des requêtes sur ces objets

certains traitements sont possibles

Raccordement topologique

• Continuité des graphes (continuité topologique)

créer des nœuds dont l’une des arêtes appartient à une base, et l’autre à une seconde

la récursivité devient possible

Les algorithmes de recherche de chemin fonctionnent

Résolution des requêtes et indexation spatiale

• Indexation spatiale

• Localisation de l’index global

• Recherche des sites pertinents

• Résolution des requêtes inter-bases

Indexation spatiale distribuée

Index spatial global

Index local 1basé sur des

quadtrees

Index local 2de type grille

Index localà la Peano

Rectangles de zone englobants

DB - 2

DB - 1

DB - 4 DB - 3

Bases de données à intégrer Rectangles englobants

Où ranger l’index global ?

• Deux possibilités

– un unique exemplaire sur un site privilégié (en opposition avec la règle de Date)

– une copie par site

• Aucune difficulté à avoir un index global par site, car il est généralement de petite taille

• Prévoir les mécanismes pour y intégrer de nouvelles BD

Index global et locaux

- local 1- global

- local 2- global

- local 4- global - local 3

- global

Résolution d’une requête interbase

Exemple de requête de zoneà cheval sur plusieurs BD

Uniquement 3 rectangles, donc 3 BDsont concernés par cette requête

Résolution d’une requête de chemin

Point de départ

Point d’arrivée

Ellipse de pertinenceZones sélectionnéespour la recherche de chemin

Identificateurs locaux, globaux ; Identificateurs d'objects ; Continuité topologique

Site 4ID = 31970 Site 4

ID = 47308

Site 5ID = 90234

Site 1ID = 678

Site 3ID = 8906

Site 2ID = 3216

RN 75

RN 75

RD 38RD 57

RN 75

RD 29

3 - Intéropérabilité sémantique

• Métadonnées

• Médiateurs

• Ontologies

3.1 - Métadonnées

• Informations sur les informations

• Dictionnaires de données• Les métadonnées sont des informations

qui permettent la description de tous types de données : nature, définition, origine, organisation, disponibilité, mise à jour, usage, cohérence, etc ...

Métadonnées spatiales(FGDC)

Dataquality

Accuracy

Logicalconsistency

Complete-ness

Source /Lineage

Spatial datareference

Mapprojection

Coordinatesystem

Datum

Identificationinformation

Geographiccoverage

Custodian

Name

Description

Keywords

Status

Softwareenvironment

Identificationinformation

Geographiccoverage

Custodian

Name

Description

Keywords

Status

Softwareenvironment

Identificationinformation

Geographiccoverage

Description

Status

Softwareenvironment

Entity/atributeinformation

Typeand formats

Description

Domains

Measurementunits

Distributioninformation

Distributor

Accessprocedure

Format

3.2 Médiateurs

Médiateur = un adaptateur de données situé sur un réseau

Client MédiateursServeur dedonnées

Exemples de médiateurs

• conversion de supports• conversion d’unités• conversion de structures• changement de noms• traduction de noms• classification d’objets • regroupements sémantiques • etc.

Intéropérabilité par médiateurs

Base de Données

Base de Données

Base de Données

Médiateur Médiateur

Médiateur

• Médiateur = composant logiciel qui résout les conflits schématiques et sémantiques

• Wrapper = composant logiciel qui fournit des services d’accès aux données grâce à un langage commun entre les bd et les médiateurs ; il assure la traduction des requêtes, met en forme les résultats et les transmet aux médiateurs

Intéropérabilité par médiateurs

Méthodologie d’intégrationavec médiateurs

• Principe : petits modules répartis sur le long du réseau

• Repérer les données analogues dans les BD

• Ecrire les fonctions de conversions (a priori, un médiateur par attribut)

• Les installer aux endroits stratégiques

3.3 Ontologies

• Vocabulaire formalisé pour décrire des situations

• Ontological commitment : engagement par ontologie

• Langages : Ontolingua, KIF, etc.

Exemple d’ontologie

Inondation

OuraganCatastrophes

naturelles

FeuTsunami

Volcan

Glissementsde terrains

Tremblementde terre

Relation « est un »

Relation « provoque »

Avalanche

Partage d’ontologie

Correspondancedes informations

SIGdu cadastre

SIGCompagniedes Eaux

SIGCompagnie

de l’Electricité

SIGCompagnie

du Gaz

Ontologieurbaine

partagée

Correspondancedes informations

Correspondancedes informations

Correspondancedes informations

Intéropérabilité par ontologie

Base de Données

Base de Données

Base de Données

ONTOLOGIE

Méthodologie d’intégrationavec ontologie

• Principe : normalement l’ontologie est complète et pré-existante.

• Repérer les correspondances BD-ontologie et décrire les transformations en liaison avec cette ontologie

• Résolution dynamique des conflits (si médiateurs, résolution statique)

Interopérabilité au travers d'une ontologie

BD rouge

BD bleue

Ontologie

de domaine

Correspondance avec médiateurs

DB A DB B

OntologiaA

OntologiaB

Corrispondenze

Ontologiadi dominio

DB A DB B

OntologieA

OntologieB

Correspondance

Ontologiede domaine

MEDIATOREMEDIATEUR

Requêtes

Données

Génération

Exemple en démographie

Exemple de médiateurs (1)

• Contenu des DB :– DB1 : 1 entité « résidents »– DB2 : 2 entités « hommes » et « femmes »

• Comment obtenir – DB1 : hommes et femmes ?– DB2 : résidents ?

Exemple de médiateurs (2)

• Solution : avec mediatori

• Médiateurs exacts– DB2.residents= DB2.hommes + DB2.femmes

• Médiateurs approchés– DB1.hommes = 0.48DB1.residents– DB1.femmes = 0.52DB1.residents

4 – Projet TOWNTOLOGY

• Création d'une ontologie pour l'urbanisme• Première étape à Lyon (2002-2003)

– Voirie (en français) 900 concepts

• Seconde étape (2003-2004)– Mise en place d'un réseau COST– Extension à d'autres langues– Mobilité

• Site web:– http://lisi.insa-lyon.fr/~townto

Principes de Towntology

• 9 relations :– est fait de– est composé de– est localisé à– est utilisé pour– est situé sur– est un– est un sous-ensemble

de– dépend de– est un instrument pour

• Présentation visuelle • Reseau sémantique• Structure d'hypertexte• Définitions multiples• Origine des définitions• Possibilité de mise à

jour• Photos et dessins

Projet Towntology

• Créer une ontologie de domaine– ville– urbanisme

• Initiateurs : INSA (LIRIS + EDU)

• Projet COST UCE 21– Université de Liège– Queens University of Belfast– Münster Universität– Universidad Politécnica de Madrid– Università della Basilicata– Etc.

A Lyon

• Groupe de travail– Trois permanents– Deux doctorants en informatique– Deux étudiants en urbanisme

• Voirie– Actuellement > 800 concepts (en français)– Graphe, relations, définitions, photos, etc.

• Autres domaines– Transports, mobilité, etc.

Début de l’ontologie

Ville

Espace bâti Espace non-bâti

Territoire

Populations

Réseaux

Bâtiments

Bâtiments

résidentiels

Bâtiments

commerciaux

Bâtiments

administratifs

Bâtiments

religieux

Bâtiments

industriels

Bâtiments

Monuments

Historiques

Immeubles

classés

Bâtiments

de service

PlacesEspaces verts Terrains vagues

Ponts

Espacesd'eau

Fleuve Terrains desportifs Friches urbaines

Ontologie (suite)

Etre humain

Habitationloge

Maison Appartement

travaille

Lieu de travail

Bâtimentindustriel

Immeublede bureau

achète

Magasins

Commerces

Marché Hypermarché

se divertit

Lieux de loisirs

Cinéma Théâtre Parcs

etc.etc.

Extrait de l’ontologie

Paving block Mix Asphalte concrete

Coating course

Traffic light cycle

Traffic signHorizontal sign

Road symbol

Traffic light system

Loop

Traffic light coordinationControler

Traffic light diagram

Traffic light plan

Dimensioning traffic Traffic management

Free flowSidewalkPavement

Road marking

Graphe de l’ontologie

Pistecyclable

Exemple : POS

Début de l’ontologie sur les transports

………

Description d’un concept

Portail

Interface graphique (browser)

Visualisation de contenu

6 – Conclusion

• Importance de l'intéropérabilité• Importance de la sémantique des données• Intéropérabilité n’est pas seulement un problème

de programmation, mais plutôt différentes façons de voir la réalité

• Deux cas dans l’intéropérabilité des SIG– Problèmes géométriques

• Rubber sheeting aux frontières• Raccordement topologique

– Problèmes sémantiques• Création d’ontologies de domaines

Merci de votre attention !

http://lisi.insa-lyon.fr/~laurini