SIG : notions de base

Apprendre à se servir d’un système d’information géographique est un parcours potentiellement sans fin. En effet, s’ils peuvent servir à des tâches très simples, les possibilité offertes par certains outils sont très diverses et peuvent s’inscrire dans des analyses très complexes. Par ailleurs, ce type d’outil ne cesse de se développer et offre donc de plus en plus d’application.

Comme dans tout apprentissage, il est donc essentiel de commencer par des choses simples, adaptées à ce que l’on souhaite faire, avant de progressivement apprendre à faire des choses plus complexes.

Même si les interfaces diffèrent, tous les systèmes d’information géographique reposent sur les mêmes principes, que l’on retrouve par exemple dans un GPS.

Certaines plateformes web très utilisées permettent de comprendre cette organisation en couches des systèmes d’information géographiques.

Les couches « raster » (image matricielle)

Une couche raster a des propriétés spécifiques : c’est une image constituée de pixels.

Une image matricielle, ou « carte de points » (de l’anglais bitmap), est une image constituée d’une matrice de points colorés. C’est-à-dire, constituée d’un tableau, d’une grille, où chaque case possède une couleur qui lui est propre et est considérée comme un point. Il s’agit donc d’une juxtaposition de points de couleurs formant, dans leur ensemble, une image.

Cette expression est principalement utilisée dans les domaines de l’imagerie numérique (infographie, informatique, photographie numérique, etc.) afin de marquer l’opposition de ce concept avec celui des images vectorielles. Dans ces domaines, les points de couleurs les constituant s’appellent des pixels (pour « picture element », soit, littéralement : « élément d’image »).

https://fr.wikipedia.org/wiki/Image_matricielle

L’exemple du géoportail

Par exemple, Géoportail, de l’IGN, permet de superposer des couches « raster » non modifiables : photographies aériennes, cartes IGN, cartes anciennes, cadastre, etc… La plateforme permet de gérer la transparence de ces couches pour que l’on puisse voir leur superposition.

On voit alors qu’il est possible de choisir les couches que l’on souhaite mettre sur sa carte.

On le voit à la manipulation, dans un SIG, les images raster ne sont pas modifiables. On peut simplement les afficher, les superposer et gérer leur transparence.

Le géoréférencement

On peut se demander comment il est possible de superposer exactement toutes ces couches. Derrière la simplicité de cette utilisation se cachent en réalité des siècles d’histoire de la cartographie et de mathématiques.

Pour pouvoir l’afficher dans un SIG, il faut donc géoréférencer l’image que l’on utilise, c’est à dire lui attribuer des coordonnées géographiques au sein d’un espace mathématique de référence.

Cette simple opération fait appel aux connaissances développées au fil de plusieurs siècles.

Relever des entités sur site et les redessiner : une petite histoire des techniques

Les anciens arpenteurs avaient, de longue date, des techniques empiriques pour relever les contours de champs, le tracé des routes ou la position des bâtiments sur un site. Ils utilisaient des instruments simples, comme des perches et des cordeaux, avant de tenter de mettre en plan ce qu’ils avaient relevé.

Manuscrit écrit par Bertran Boysset, arpenteur d’Arles (colophon daté du 8 janvier 1405 ; cf. Cat. mss datés). Selon Jonas : f. 2-20, « Dialogue avec Dieu » ; f. 30-315, « Siensa de destrar ». http://initiale.irht.cnrs.fr/codex/1286?contenuMaterielId=3773

Mais à la fin du Moyen-Âge, la manière d’appréhender les questions géométriques est encore assez différente de celle que nous avons aujourd’hui. Elles relèvent d’une série de savoir-faire, de procédés géométriques transmis dans différents métiers, appelés géométrie pratique. Les relevés des arpenteurs décrivent sommairement des sites, mais ils n’est pas encore possible de les assembler en cartes cohérentes d’un point de vue géométrique.

Manuscrit écrit par Bertran Boysset, arpenteur d’Arles (colophon daté du 8 janvier 1405 ; cf. Cat. mss datés). Selon Jonas : f. 2-20, « Dialogue avec Dieu » ; f. 30-315, « Siensa de destrar ». http://initiale.irht.cnrs.fr/codex/1286?contenuMaterielId=3773

Il en est de même pour le relevé géométrique des bâtiments existants. Alors que les croquis du XIII^e siècle ne permettent pas de faire correspondre le plan d’un bâtiment et sa coupe ; on trouve au XIV^e siècle des premiers dessins qui les mettent en correspondance.

Des architectes, des archéologues, des bâtisseurs, des ingénieurs, mettent au point, à partir du XV^e siècle, des techniques mathématiques plus systématiques pour relever les dimensions d’un bâtiment, d’une partie de bâtiment, ou même des parties de villes sur un site.

Les techniques permettant de dessiner des bâtiments ou des sites sont progressivement améliorées, à partir des savoir-faire des maîtres bâtisseurs ou arpenteurs médiévaux et de nouvelles approches mathématiques. Celle-ci servent à la fois à redessiner des objets existants mesurés sur site (par exemple des ruines romaines ou des terrains) et à imaginer un futur édifice (projet architectural).

La mise au point de la géométrie analytique cartésienne permet ensuite d’établir des relation entre les calculs arithmétiques (par exemple des équations) et la représentation d’un objet en 3 dimensions au sein d’un repère orthonormé. Les relations entre géométrie et calcul sont encore précisées et développées avec l’invention de la géométrie descriptive. Ceci a permis de modéliser mathématiquement des objets en 3 dimensions, d’abord sur papier, puis de façon informatique.

Aussi simple que cela puisse sembler aujourd’hui, ce type d’approche suppose d’avoir des unités de mesure et des instruments dédiés. Or, on sait que de nombreuses mesures locales étaient utilisées jusqu’à l’invention du système métrique à la fin du XVIII^e siècle, et que le monde anglo-saxon a conservé bien que systématisé l’usage des mesures en pieds.

En pratique, cela signifie qu’aujourd’hui, il reste nécessaire de choisir l’unité de mesure qui servira de référence pour une carte dans un SIG. Il peut par exemple arriver que l’on récupère une carte dont l’unité de mesure est le pied et qu’il faille modifier ce paramètre.

Le développement des cadastres a également été très progressif dans le temps. Différentes expérimentations ont eu lieu en Europe, notamment au XVIII^e siècle, pour relever les terrains, permettre leur cartographie, leur gestion et leur imposition. En France, c’est le cadastre napoléonien qui a permis la codification précise des pratiques de relevé du cadastre, avec un règlement et des méthodes de vérification pour pour s’assurer de l’homogénéité de ce document sur l’ensemble du territoire national.

On le voit, toute entreprise de relevé d’un site ou d’un territoire exige une méthode rigoureuse, garante du résultat obtenu, et ce, d’autant plus quand il s’agit d’un travail collectif.

Au delà de leur utilité fiscale, les cadastres constituent encore aujourd’hui une source d’informations géographiques importantes.

Encore aujourd’hui, il est possible de consulter le cadastre sur Géoportail.

Les techniques de cartographie font également partie du savoir-faire des ingénieurs militaires, qui participent à son développement, comme en témoigne la fameuse carte de l’État-Major du XIX^e siècle

On le voit, le passage de la prise de vue photographique à la carte ou au plan ne va pas de soi, et suppose l’utilisation de techniques mathématiques spécifiques.

Avec le développement des satellites, de nouvelles méthodes de relevé cartographiques se sont développées : les images satellites ont remplacé les anciennes photographies aériennes réalisée en avion. Ces images sont ensuite traitées de différentes façons pour cartographier des territoires.

On le voit, les couches raster disponibles en ligne proviennent en fait de générations successives de techniques cartographiques ou photographiques qui ont permis différentes représentations des territoires au fil du temps. PLus on avance dans le temps, plus ces représentations sont précises et géométriquement correctes.

Même avec l’avènement de l’image satellite, sur le terrain, des instruments spécifiques continuent d’être utilisés par les géométres, mais aussi des archéologues pour relever précisément des sites. Leur utilisation suppose l’usage de calculs trigonométriques (tangente, sinus, cosinus, etc…) et d’instruments dédiés (théodolites notamment).

Situer les objets géométriques ou les images dans un espace de référence

Mais la cartographie de vaste territoires pose un problème supplémentaire : celui de la courbure de la terre. A partir du moment où il a été admis que la terre est ronde, s’est posé un problème mathématique : comment mettre sur une carte plate un surface courbe. C’est alors qu’on été inventés différents « systèmes de projection », c’est à dire différents moyens « d’aplatir la terre » pour la mettre en carte.

« Se positionner sur la Terre ou dans un environnement proche, géoréférencer, géolocaliser… Tous ces termes signifient attribuer des coordonnées à un objet dans un repère lié à la Terre. Un tel repère doit donc être défini, et le cas échéant complété d’une représentation de la Terre, pour qu’une action de positionnement puisse être menée. Cependant, l’expression des coordonnées est multiforme et il existe aujourd’hui un grand nombre de systèmes de référence de coordonnées, car la technologie et la législation évoluent !. »

IGN, systèmes géodésiques

En pratique, si l’on souhaite une carte précise, on a tout intérêt à choisir une manière d’aplatir la terre adaptée au territoire que l’on cartographie.

Les systèmes de coordonnées de référence

C’est pourquoi, on utilise en SIG différents systèmes de coordonnées de référence (SRC), qui sont autant de systèmes mathématiques permettant de calculer comment on va aplatir la terre sur la portion de territoire qui nous intéresse.

Le site Visionscarto.net propose par exemple la visualisation de la carte ancienne d’Urbano Monte(1587) selon différents systèmes de projection cartographiques.

Aujourd’hui, le système plus utilisé dans le monde est sans doute le système WGS 84, qui sert dans les GPS et les différentes applications web de repérage comme Openstreetmap, Googlemaps, etc.

Mais dans ces systèmes, la carte de France, par exemple, apparaît très déformée par rapport à nos habitudes. C’est que l’IGN a, avec le temps, développé différents systèmes de projection, adaptés à la représentation du territoire français. Le plus utilisé aujourd’hui en France est le RGF93/Lambert93 .

En comparant la carte de France en WGS84 et en Lambert 1993, on s’aperçoit ainsi que le pays n’a pas la même forme selon le système de projection choisi.

Pour superposer exactement des couches dans un SIG, il faut donc qu’elles soient dans le même système de projection. Le problème est simple, mais il est à l’origine de nombreux problèmes pratiques. Comment faire par exemple, si l’on récupère des données d’un GPS et des données de l’IGN et que l’on souhaite les superposer ?

Fort heureusement, les logiciels de SIG ont des fonctionnalités de rétroprojection qui permettent d’enregistrer chaque couche dans son propre système de projection et de calculer automatiquement des équivalences entre elles.

L’IGN a aussi proposé un découpage du territoire français avec des systèmes de projection plus précis en fonction des latitudes. Quand on travaille sur un site précis, il est donc conseillé d’utiliser le système adapté au territoire étudié.

Conséquences pratiques

Quand on utilise un logiciel de SIG, il est donc nécessaire de définir d’emblée dans quel système de projection on va travailler et d’en informer le logiciel.

On peut en faire l’expérience en se rendant sur la plateforme en ligne du logiciel Magrit. Sur la première page, il nous propose de choisir des fonds de cartes parmis des « Template cartographiques ». Et l’on peut se rendre sur celui représentant « France Métropolitaine + DOM (Départements / Régions) ». En haut de la page, on peut choisir entre différents systèmes de projections.

On s’aperçoit alors bien vite que le choix est limité et que l’on ne peut pas choisir directement un système adapté à son propre département.

Et c’est là que cela se complique un peu : il faut pour cela connaître le code EPSG adapté. Si par exemple, mon département est en zone CC46, le code à rentrer dans le champ dédié est « EPGS : 3946. »

Les couches « vecteur »

On l’a vu, les images raster ne sont pas modifiables. Les couches des vecteurs ont par contre des propriétés très intéressantes.

L’exemple du géocodage

Afficher une carte plus grande

On ne peut pas interroger des images raster, via une adresse par exemple. Si vous avez une « orthophotographie » (image aérienne rectifiée géométrique) sous les yeux, il vous faut vous promener sur la carte pour trouver l’endroit qui vous intéresse.

Or, nous avons tous l’expérience de ce qu’il est possible de faire sur un site web comme OpenStreetMap ou GoogleMaps : nous pouvons lui demander de nous amener à une adresse précise qui nous intéresse.

Même si cela ne se voit pas directement, cette simple opération suppose l’existence d’un système de géocodage : il faut que des points d’adresse soient situés sur une carte et que leur soit associée l’adresse écrite en toutes lettres.

C’est un peu comme si chaque plaque indiquant un numéro de rue et une rue était situé sur une carte, et que l’on pouvait demander ce que l’on souhaite à cette carte. Au lieu de le faire à l’ancienne en cherchant la rue dans une liste, en repérant la rue sur la carte, puis en cherchant son numéro, on tape directement l’adresse qui nous intéresse dans le champ dédié.

Quand on fait cela, on interroge une base de données. A quoi ressemble-t-elle ?

C’est une couche « vecteur » constituée de points et d’un tableau de données (comme ceux que l’on manipule dans LibreOffice Calc ou dans Excel) qui comporte les adresses.

Quand on tape une adresse dans le champ de recherche, le logiciel ou l’application web va chercher la ligne correspondante dans le tableau, trouve le point géométrique qui lui est associé et déplace le cadrage de la carte pour nous y amener.

Ceci suppose, on le voit, que l’ensemble des colonnes soient remplies et que la façon d’écrire les noms de voie, ou le nom de la commune soit homogène dans toute la base de données. Cette façon d’écrire les adresses est donc plus contraignante que lorsqu’on écrit de façon libre. C’est pourquoi une base de référence nationale pour les adresses, la base d’adresses nationale (BAN) a été développée en France.

L’intérêt de cette approche, c’est que l’on peut géocoder des lieux ou des établissements dont on connaît l’adresse. Dès lors que l’on connaît une adresse postale, il est alors possible de trouver ses coordonnées géographiques et ainsi de les situer sur une carte. Ce service est proposé par différents sites web comme https://adresse.data.gouv.fr/csv par exemple.

On entre un fichier .csv avec les adresses dans des colonnes et on obtient un autre fichier . csv, complété avec d’autres informations, comme la latitude et la longitude de l’adresse recherchée.

Il faut ici noter que la compréhension de ce qu’est un fichier .csv et de ce que l’on peut en faire est fondamentale en SIG, comme en informatique en général. Elle incontournable pour faire du SIG. Ce format est en effet très utilisé pour les échanges de données. On trouve aussi certaines données géographiques sous cette forme, en particulier dans les cas de géocodage.

Faisons donc un petite détour par la fiche Wikipédia sur le .csv ou Comma-separated values pour comprendre de quoi on parle.

« Comma-separated values, connu sous le sigle CSV, est un format texte ouvert représentant des données tabulaires sous forme de valeurs séparées par des virgules. […]

Chaque ligne du texte correspond à une ligne du tableau et les virgules correspondent aux séparations entre les colonnes. Les portions de texte séparées par une virgule correspondent ainsi aux contenus des cellules du tableau. Une ligne est une suite ordonnée de caractères terminée par un caractère de fin de ligne (line break – LF ou CRLF), la dernière ligne pouvant en être exemptée. »

https://fr.wikipedia.org/wiki/Comma-separated_values

Il est possible d’utiliser d’autres caractères que la virgule pour séparer les champs d’un fichier .csv. L’utilisation du point virgule est par exemple très courant.

Lorsque l’on souhaite faire du géocodage, la plupart des applications demandent un fichier . csv. Ce format est facile à générer depuis un tableur comme OpenOffice Calc ou Excel. Il suffit de lui demander d’exporter son tableau au format .csv en choisissant le caractère qui délimite les champs.

Nous reviendrons aussi sur la façon d’intégrer un tel fichier dans un SIG.

Pour l’instant, contentons-nous de retenir qu’une fois importé dans un SIG, on obtient une série de points situés dans l’espace associés à une « table attributaire » qui correspond au tableau que nous avons téléchargé.

Cet exemple des adresses, simple mais très répandu, permet de comprendre les particularités des couches « vecteur » dans un SIG et les possibilités pratiques qu’elles offrent.

Propriétés des couches vecteur

Une couche vecteur dans un SIG :

• est une couche soit de points, soit de lignes, soit de polygones (surfaces) qui est géolocalisée dans un espace de référence
• ces géométries sont associées à une table de données, appelé « table attributaire ».

On peut faire des couches vecteurs pour toutes sortes de données différentes. Nous avons vu l’exemple le plus simple, celui des couches vecteur sous forme de points. Mais il existe aussi des couches plus complexes, basées sur des lignes ou des polygones.

Par exemple, on représente souvent les rues et les routes par des lignes, auxquelles sont associés les noms de voie. C’est d’ailleurs ainsi que l’on peut afficher les noms de voies sur une carte, soit en ligne, soit dans un SIG.

On s’aperçoit ici, au passage, qu’il est possible d’écrire, par exemple un même nom de voie, de plusieurs façons. Il faut alors avoir une colonne par façon d’écrire ce nom. Pour faciliter le passage entre des colonnes ou des bases de données différentes, on utilise un code standard (souvent numérique) qui sert à désigner la même voie dans différentes couches ou différentes bases de données. Cela permet ainsi facilement de passer d’un tableau à l’autre, même si les façons d’écrire les voies sont différentes.

Autre exemple, les cadastres actuels sont des couches de polygones dont les contours correspondent à ceux d’une parcelle. A chaque polygone sont associées des informations contenues dans la table attributaire. C’est ainsi qu’il est possible d’afficher,par exemple, le numéro d’une parcelle cadastrale, en plus de son contour.

On voit que l’on peut ainsi conserver des informations diverses dans des tableaux, qui seront associées à un contour spécifique, ici une parcelle.

On peut, bien entendu, superposer ces couches pour croiser visuellement les informations sur une carte.

Ce mode de conservation et de gestion des informations liées à un territoire donné est de plus en plus en répandu dans notre société. Il est, par exemple, utilisé par les administrations, les chercheurs notamment. Mais il sert aussi de plus en plus à créer des interfaces web donnant accès à ces informations.

C’est ce système qui permet à des plateformes comme OpenStreetMap pour GoogleMaps de fonctionner. Et c’est ce qui explique qu’il est possible de récupérer certaines couches d’informations depuis ces systèmes.

Bien entendu, les données fournies par l’IGN fonctionnent de la même façon. Suite à la loi sur la République numérique de 2016, il est aujourd’hui possible d’en télécharger un certain nombre librement.

Il existe de très nombreux sites où l’on peut aujourd’hui récupérer des informations géographiques pour les intégrer dans une carte.

Conséquences pratiques

Si l’on récupère une couche géographique sur un des multiples sites qui s’y trouvent, il est toujours intéressant de jeter un coup d’œil aux informations contenues dans la couche pour savoir si l’on peut en tirer des informations qui nous intéressent. Mais tous les sites ne le proposent pas.

A l’inverse les sites très utilisés comme data.gouv.fr, geo.data.gouv.fr, ou les services de IGN ne proposent pas ce genre d’interface pour comprendre le contenu des données téléchargées. Il faut alors se pencher sur la documentation disponible pour connaître le contenu du jeu de données avant de les télécharger.

Le plus souvent, pour réaliser une carte, on aura besoin de plusieurs couches de données différentes. Dans l’exemple que nous avons pris, il y en avait trois : une couche de polygones pour les parcelles cadastrales, une couche de lignes pour les voies, une couche de points pour les numéros de voies. Avant de télécharger des données, il importe de réfléchir à celles qui nous serons utiles et sous quelle forme (raster, vecteur).

L’organisation des données d’un projet SIG

On le voit, on peut rapidement se retrouver à gérer de nombreuses couches de données pour faire une carte. On peut aussi être amené à utiliser la même couche de données pour différentes cartes.

En fait, tous les logiciels SIG fonctionnent de la même manière : le fichier informatique qui sert de carte ne contient pas les couches de données qui y sont représentées, mais des liens vers ces couches de données.

Par conséquent, une fois une couche de données téléchargée ou créée, il est nécessaire de lui donner un nom définitif et de la classer dans un dossier qui ne changera pas de place AVANT de l’importer dans une carte ou une autre.

Le classement des fichiers est essentiel pour que le système fonctionne.

Il est donc important d’organiser d’emblée ses fichiers dans des dossiers organisés de la façon suivante :

• Dossier_SIG
  1. Cartes
  2. Donnees_vectorielles
  3. Donnees-raster
  4. Supplements
  5. Tutoriels

Résumé des étapes avant d’ouvrir un logiciel SIG

1. Réfléchir à ce que l’on souhaite faire : quelles sont les informations que l’on a besoin de voir figurer sur sa carte ? (des routes ? des lacs ? des forêts? etc…)
2. Identifier les couches de données dont on pourrait avoir besoin :
   1. Quelles sont les représentations dont on a besoin comme fond, qui peuvent éventuellement être contenues sur une couches raster (une carte IGN, une photographie aérienne, un fond OpenStreetMap, etc…) ?
   2. Quelles sont les couches pour lesquelles ont souhaite des informations supplémentaires et qui peuvent être contenues dans une couche vecteur ?
   3. Éventuellement, existe-t-il déjà une couche vecteur qui peut nous servir de base et que nous pourrions modifier pour représenter ce qui nous intéresse ?
3. Rechercher les sites web sur lesquels on peut les télécharger.
4. Examiner, si possible, le contenu des couches que l’on souhaite télécharger.
5. Télécharger les couches dans un dossier dédié qui ne changera pas de nom ni de place.
6. Renommer définitivement ces couches si nécessaire.

Une fois que l’on a choisi une ou plusieurs couches de données qui nous intéresse, on peut les télécharger sur son ordinateur et commencer à un créer une carte sur un logiciel de SIG.