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