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Les Systèmes d’Information Géographique Objet et concepts

Les Systèmes d’Information Géographique Objet et concepts. Mickaël VASQUEZ Service DEL/AO. 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

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Les Systèmes d’Information Géographique Objet et concepts

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Presentation Transcript

  1. Les Systèmes d’Information GéographiqueObjet et concepts Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Mickaël VASQUEZ Service DEL/AO

  2. 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 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

  3. 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 l’information (une commune a un nombre d’habitants, à une isobathe correspond une profondeur, …) • Faire des cartes ? Oui, entre autres … Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 • Outils pour spécialistes : reporting, statistiques, géostatistiques, traitement d'image, analyse 3D

  4. 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 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

  5. Les SIG, pour quoi faire ? • Interroger • Le décideur : quelles sont les zones à évacuer en cas de crue ? • L’usager : dans tel village, quels sont les terrains qui ne sont pas en zone inondable et dont le sous-sol n’est pas meuble ? • Le restaurateur : dans telle ville, où sont les rues passantes et dans un rayon d’1 km d’une 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 ? Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

  6. Les SIG, pour quoi faire ? • Créer / Modifier • L’information qui est portée par les objets -> Masques de saisie • Les objets eux-même : création d’une nouvelle route, modification du tracé d’un court d’eau, suppression d’un banc de sable, … -> Outils de DAO Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

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

  8. Utilisateurs Logiciels Base(s) de données vectorielles ou maillées et Métadonnées Fichiers SGBD Éléments d’un SIG Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

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

  10. Utilisateurs Logiciels Base(s) de données vectorielles ou maillées et Métadonnées Fichiers SGBD Éléments d’un SIG Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

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

  12. Exemples : classe d'entités de points Clients classe d'entités de polygones Bâtiments classe d'entités de lignes Rues Extrait Internet Esri France 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) Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

  13. Le modèle relationnel convient parfaitement au stockage de l'information attributaire Mais l'information spatiale ? Comment la stocker ? Comment l'indexer ? ID Nombre d'habitants 100 1000000 101 10000 102 200000 Les données vectorielles • Pour le stockage, 2 écoles : • Le modèle spaghetti • Le modèle topologique Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

  14. 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, les entités peuvent se chevaucher Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 • Au sein d'une classe d'entité de polygones, les trous sont autorisés

  15. Doublon 1 7 4 6 2 3 5 8 II I Les données vectorielles – modèle spaghetti • Structure de stockage des lignes dans une classe d'entités de lignes Tableau des lignes Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Tableau des sommets

  16. 3 6 2 7 4 10 I II Doublons 8 5 9 1 Les données vectorielles – modèle spaghetti • Structure de stockage des polygones dans une classe d'entités de polygones Tableau des lignes Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Tableau des sommets

  17. 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) Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

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

  19. 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 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 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

  20. Relations topologiques Arc – Sommets : un arc étant orienté, il a un sommet initial et un sommet final 2 L'arc a pour sommet initial le sommet 1 et pour sommet final le sommet 2 1 • Relations topologiques Arc – Polygones : un arc étant orienté, il a un polygone gauche et un polygone droit L'arc 1 a pour polygone gauche le polygone B et polygone droit le polygone A A B 1 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 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

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

  22. Pas de doublon 4 5 3 1 2 A B C II I Topologie Les données vectorielles – modèle topologique • Structure de stockage des arcs dans une classe d'entités d'arcs Tableau des arcs Tableau des sommets Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Tableau des points annexes

  23. C VII III 1 B F 2 P1 P2 II VI IV 3 4 V E D I A Topologie Les données vectorielles – modèle topologique • Structure de stockage des arcs et des polygones dans une classe d'entités de polygones Tableau des arcs Tableau des sommets Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Tableau des points annexes

  24. 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 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

  25. 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 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 • 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 • L'indexation spatiale, c'est le stockage d’information supplémentaire qui va permettre d’améliorer les performances lors de filtres spatiaux (zooms, requêtes spatiales) de telle sorte que seule l’information utile soit extraite et ce sans lire tout le contenu du fichier.

  26. P7 7 8 9 P6 P5 P4 4 5 6 P2 P1 P3 1 2 3 Les données vectorielles – Exemple d'algorithme d'indexation : le tuilage • On créé une grille virtuelle • Pour chaque entité, on recense les mailles de la grille qui la contiennent Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

  27. P7 7 8 9 P6 P5 1 2 P4 4 5 6 P2 P1 P3 1 2 3 Les données vectorielles – Exploitation du tuilage par un logiciel lors d'un zoom Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 • Récupération des mailles intersectées ou contenues par le rectangle qui délimite l'étendue du zoom : 1 et 2 • Récupération dans le tableau les identifiants des polygones qui sont contenues par ces mailles : P1 et P2 • Chargement en mémoire de ces polygones

  28. 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 Formats de données vectoriellesFormat 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 : Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

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

  30. Formats de données vectoriellesFormat 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 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

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

  32. Classes d'entités • Tables classiques Formats de données vectoriellesArcSDE • 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 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Passerelle ArcSDE SGBDR Base de données SQL Création Consultation Mise à jour Client Serveur

  33. Une table qui liste les classes d'entité de la base de données • 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 Classe d'entités "Peuplements" Information attributaire shape substrat … … 100 meuble … … Liste des classes d'entités 101 rocheux … … … … … … ID Geometry ID NAME 1 Peuplements 100 ID GX GY 2 Géologie 101 100 1 1 … … … … 101 1 2 … … Stockage géométrie Stockage index spatiaux Formats de données vectoriellesSchéma ArcSDE Pour permettre de stocker des classes d'entités dans un SGBD, ArcSDE lui "fournit" 4 tables : Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

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

  35. Geodatabase personnelle • Classes d'entités • Tables classiques Formats de données vectoriellesLes 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 • Le modèle de données d'ArcSDE s'est de plus ouvert à la bureautique par sa transposition au SGBDR AccessGeodatabase personnelle Geodatabase multi-utilisateur Base de données Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Passerelle ArcSDE SGBDR SQL Création Consultation Mise à jour • Métadonnées • Classes de Relations • Classes de topologie • Jeu de classes d'entités Client Serveur

  36. Formats de données vectoriellesLes 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 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

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

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

  39. Formats de données vectoriellesLes 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. Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

  40. Formats de données vectoriellesLes 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 declasses d'entités Données administratives, données physiques, etc… • Point de vue de l'utilisateur : Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

  41. Utilisateurs Logiciels Base(s) de données vectorielles ou maillées et Métadonnées Fichiers SGBD Éléments d’un SIG Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

  42. Extrait Internet Esri France 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 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

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

  44. 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]) Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Bande 3 : Valeurs de niveau de bleu ([0-255]) Orthophotographie littorale : composition colorée RVB issue de la combinaison des 3 bandes (2563 couleurs possibles)

  45. 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 NY NX = 5 NY = 4 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 NX • Dans un SIG, il faut être capable de placer un raster dans un repère géographique orthonormé. Un tel raster est dit géoréférencé

  46. NY X0, Y0 DY NX DX Les données maillées - Géoréférencement • Pour qu'un raster soit géoréférencé, il faut définir : • 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 NX = 5 NY = 4 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 X0 = 90000 m Y0 = 2300000 m DX = 15 m DY = 10 m

  47. 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 Formats de données mailléesFormat GRID • Format ESRI • Structure complexe, semblable à celle du format vectoriel Couverture ArcInfo : Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 • Point de vue de l'utilisateur

  48. Formats de données mailléesFormats 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 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

  49. - DY Paramètres de rotation (très rarement utilisés) DX X0 Y0 Formats de données mailléesFormats 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 1ère lettre extension fichier raster + dernière lettre + w Exemple : jgw pour fichier jpg, bpw pour fichier bmp Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204

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

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