3-1-1- Historique et Définition des SIG
Les premiers systèmes d’information géographique apparurent au début des années soixante entre autres chez les Américains au « Harvard Laboratory for Computer Graphics et au Environmental Systems Research Institute », en Grande-Bretagne au
« Experimental Cartography Unit » et au gouvernement canadien, où Roger Tomlinson est considéré comme le père des systèmes d’information géographique (COPPOCK et RHIND, 1991).
Par ailleurs en 1960, il était impossible de faire l’analyse des nombreuses cartes de l’Afrique de l’Est dans le but de localiser les endroits propices pour la création de nouvelles plantations agricoles. Les coûts estimés pour la localisation manuelle, à partir de cartes-papier, de ces nouveaux sites étaient en effet si élevés, qu’ils l’amenèrent à proposer à la firme de survol aérien qui l’avait embauché l’informatisation des cartes comme solution moderne et efficace au problème d’analyse spatiale.
La résolution de ce problème par la voie numérique était devenue effective en 1971 avec l’achèvement du plus important système d’information géographique de l’époque, un système informatisé gérant 10 000 cartes numériques concernant plus de 100 thèmes différents. On doit à cette initiative plusieurs technologies encore en usage aujourd’hui comme le balayeur à tambour (drum scanner) servant à la numérisation rapide des cartes.
L’essor progressif des SIG institutionnels de grande envergure au cours des années 70 fut suivi d’un véritable boom au cours des années 80, en grande partie dû à l'apparition du micro-ordinateur. Aujourd’hui, ils ont littéralement envahi entreprises, gouvernements, universités, etc.
Les systèmes d’information géographique sont en passe de devenir auprès de certains intervenants, des outils aussi utiles et nécessaires que le traitement de texte. Une
preuve : l’alliance récente entre le SIG MapInfo et le géant Microsoft Corporation qui a mené à l’ajout de fonctions SIG dans la suite Microsoft Office (Microsoft Map). La tendance actuelle indique que les prochaines années verront le développement de SIG-réseau (comme MapInfo Proserver, MapObjects Internet Map Server de ESRI, ou Geomedia de Intergraph), c'est-à-dire d'interfaces client/serveur donnant accès à travers les réseaux locaux et Internet à des données et des algorithmes disséminés sur des ordinateurs répartis à travers le monde (google.com).
Ces développements augmenteront la démocratisation des SIG en transférant la tâche d'assemblage des bases de données de l'usager au fournisseur, laissant ainsi à l'usager le loisir de se concentrer sur l'analyse plutôt que sur l’intégration des données.
Il est intéressant de constater que les problèmes qui ont amené à l’élaboration des SIG, ont une forte connotation environnementale et que les premières applications comprennent un nombre important d’études ayant pour but la gestion durable des ressources, même si le terme n’était pas encore forgé à l'époque. Les SIG ont depuis les années 60 continué de s’affirmer comme outils de gestion de l’environnement et ont démontré leur capacité à intégrer non seulement de nombreux types d’information, mais aussi de coordonner plusieurs outils d’analyse (prévisions de récolte, dispersion, modélisation hydrologique, etc.) (google.com). Ils servent aujourd’hui à la gestion intégrée des ressources en aidant les processus de prise de décision.
Il n’existe pas de définition des SIG qui fasse l’unanimité, notamment quand on est en présence de nouvelles technologies dont les applications dans les disciplines qui ont prévalu à sa naissance, sont immenses. Ainsi notre façon de conduire à une convergence minimale est de nous référer à quelques auteurs tels que:
Selon (DJOUDOU ,2014), un Système d’Information Géographique (SIG) est un outil informatique permettant de stocker, gérer, analyser et restituer de l’information sur des lieux.
Selon le CNIG (Conseil National de l’Information Géographique, 1985) le SIG est un ensemble coordonné d’opérations généralement informatisées, destinées
à transcrire et utiliser un ensemble d’informations (géographiques) sur un territoire.
Par ailleurs, selon ( THERY, 2005), un Système d'Information Géographique (SIG) est un ensemble de données numériques, localisées géographiquement et structurées à l'intérieur d'un système de traitement informatique comprenant des modules fonctionnels permettant de construire, de modifier, d'interroger, de représenter de manière cartographique les données, selon des critères sémantiques et spatiaux.
En prenant en compte tout ce qui précède, le SIG peut se schématiser comme le présente la figure 2.
Présenté par Hippolyte Yémalin AHOWINOU Page 16
Figure 1 : Définition schématique du SIG
3-1-2- Les composantes d’un SIG
Selon le schéma présenté dans la figure 2, le SIG est constitué de 5 composantes majeures à savoir :
Matériels : Il s'agit d'une composante indispensable à un SIG et l'élément fondamental de cette composante reste l'ordinateur ;
Logiciels et applications : Le logiciel est une composante essentielle d'un SIG mais, partir du postulat qu'un SIG n'est constitué que d'un logiciel du fait de sa commercialisation est faux. Les logiciels SIG offrent une panoplie d'outils et de fonctionnalités qui permettent de stocker, d'analyser et d'afficher des données géographiques. La gamme de logiciel est très variée en matière de SIG. On distingue :
Les logiciels CAO /DAO auxquels sont ajoutées des interfaces de SGBD et des fonctionnalités d’analyse. Ils sont souvent considérés comme des SIG moyens ;
Les logiciels de topographie permettant de gérer les bases de données localisées pour la réalisation des cartes et plan topographiques ou de cadastres ; Les logiciels de cartographie utilisés pour des applications de cartographie numérique ;
D’autres outils plus spécialisés dans l’analyse et le traitement de l’information géographique.
Les logiciels de SIG sont très variés et le choix dépendra des objectifs visés, des opportunités d’acquisition. Les exemples de quelques logiciels les plus courants sont les suivants :
Arc INFO, Arc VIEW, Atlas GIS, Map INFO, Quantum GIS, Arc GIS, AutoCAD Map, etc...
Les applications sont des adaptations d’un noyau logiciel de base aux besoins particuliers d’un utilisateur. Dans ces cas, il ne s’agit que de créer des menus personnalisés dans lesquels l’utilisateur n’aura accès qu’aux commandes qui l’intéressent, pour certains utilisateurs l’application consistera à définir un modèle de donnée correspondant à un domaine et à écrire des requêtes permettant l’exploitation de ces données.
Données : Ce sont les composantes les plus importantes d'un SIG. Les données géographiques et les données descriptives associées peuvent être constituées en interne, soit acquises auprès de producteurs de données ;
Utilisateurs : Les utilisateurs du SIG ne sont pas forcément des spécialistes. Le système propose une série de boîtes à outils que l’utilisateur assemble pour réaliser son projet. Tout utilisateur doit au préalable acquérir une bonne connaissance des données à manipuler et de la nature des traitements effectués par les logiciels ;
Méthode : Pour la mise en place du SGBD, le SIG utilise la méthode MERISE (Méthode d’Etude et Réalisation Informatique par Sous Ensemble), qui est un modèle « entité-association » qui consiste à hiérarchiser les préoccupations de conception en trois niveaux : Le niveau conceptuel, le niveau logique ou organisationnel, et le niveau physique.
- Le niveau conceptuel exprime la finalité et le contenu (le « quoi ») de la future base de données, indépendamment de la manière dont elle sera réalisée. Il est issu d’une phase d’analyse ;
- Le niveau logique précise le choix d’organisation des données (relationnel, hiérarchique), indépendamment des choix et contraintes techniques.
- Le niveau physique répond à la question « comment ? » et spécifie, en termes de logiciel et de matériel l’organisation physique des données.
Il est important ici de rappeler que chaque niveau est formalisé par un modèle.
3-1-3- Les fonctionnalités d’un SIG
Les cinq principales fonctionnalités d’un SIG sont regroupées sous le terme des 5A : Abstraction, Acquisition, Archivage, Analyse et Affichage. Elles peuvent être résumées en trois grandes divisions à travers le schéma ci-dessous (DJOUDOU, 2014)
Source : support de cours SIG M. DJOUDOU
a) Abstraction
Les systèmes d’information géographique sont utilisés pour réaliser la description du territoire, permettant ainsi d’obtenir l’information nécessaire pour répondre à une problématique. Ils contiennent cette information sous plusieurs formes dont certaines sont des représentations d’éléments ou de phénomènes existants. Ces représentations cherchent à reproduire le plus fidèlement possible la réalité d’une manière compréhensible par les utilisateurs dans le but de répondre à des objectifs donnés.
Le monde réel est ainsi modélisé en fonction des besoins, ce qui permet de définir précisément le contenu du système.
b) Acquisition
Figure 2: Résumé des fonctionnalités d’un SIG
Source : support de cours SIG M. DJOUDOU
Selon un adage populaire ‘gérer, c’est prévoir, prévoir c’est savoir et savoir c’est mesurer’. Cet adage met en évidence le rôle combien important des données et de leur production dans les systèmes d’aide à la décision. Il s’agit de l’acquisition des données SIG. Les données sont de deux grands types : (i) graphique (cartes, images satellitaire) et (ii) alphanumérique (tableaux de chiffres, de noms, et autres descriptions sous forme textuelle). Quelles qu’elles soient, les données constituent une base de données à laquelle est associé un dictionnaire des données. On peut distinguer deux types de données graphiques à partir d’une réalité terrain : les données vecteurs et les données raster.
Figure 3 : Illustration des données graphiques
Données Raster
Les données raster encore appelées données « tramées », « maillées » ou » matricielles » ou « images » sont des données que l’on obtient à partir d’images satellitaires, de photographies aériennes numériques (ortho photo) ou de modèle numérique de terrain (MNT). Ce sont aussi tous les documents papier (cartes, photos, plans, etc.…) qui ont été numérisés par l’intermédiaire d’un scanner.
Une image raster est une matrice ou grille à deux dimensions où le pas de la maille (ou pixel) représente la résolution spatiale.
Les données raster sont stockées dans des fichiers d’extension (.TIF, .BMP, .JPG).
Figure 4 Exemple d'images Raster
Données Vecteur
Les données vecteur sont un ensemble d’objets géographiques (la parcelle, le cours d’eau, le puits…), représentés chacun par des primitives graphiques : le point et l’arc. Les arcs se connectent à leur extrémité au nœud pour former des lignes et des polygones.
- Un parcellaire ou tout autre zonage thématique est constitué de polygones : ce sont des données surfaciques.
- Des réseaux techniques, des cours d’eau ou des voies sont représentés par des lignes : ce sont des données linéaires ou filaires
- Des puits, des points de sondage, des sièges d’exploitation sont représentés par des points : Ce sont des données ponctuelles.
Ces trois types de données doivent figurer sur des plans différents. Les formats de fichier de stockage sont : .DXF (Autocad), .Tab (MapInfo), .Shp (ArcGIS) etc.
Figure 5 : Exemples de données vecteur
La localisation de ces éléments s’appuie sur des séries de coordonnées X, Y ou X, Y, Z qui forment des vecteurs élémentaires. Le vecteur ne résulte pas d’une scénarisation, mais d’une numérisation sur table à digitaliser ou à l’écran. Les contours de chaque objet sont enregistrés dans un repère cartésien par les coordonnées des points constituant les sommets de segments de droites. Exemple un objet de forme rectangulaire est ainsi stocké par :
- Les coordonnées des 4 points (ou nœuds) qui constituent les sommets du quadrilatère formé par l’emprise au sol de l’objet (un bâtiment, une parcelle…) - Les segments (ou arcs) qui relient les 4 points,
- Un identifiant qui identifie l’objet parmi les autres.
Les données sont donc enregistrées objet par objet. Ce mode de stockage des données est moins consommateur de mémoire sur le disque de l’ordinateur et se gère plus facilement que le raster.
Données alphanumériques
Les données alphanumériques décrivent les objets spatiaux contenus dans le SIG.
Elles définissent les propriétés des différentes entités et figurent dans le MCD. Ce sont soit du texte, soient des chiffres. Elles peuvent être qualitatives (nom de la commune par exemple) ou quantitatives (longueur du tronçon). Il existe en effet dans le logiciel un lien dynamique entre les données graphiques d’une part, et les données alphanumériques, d’autre part.
L’acquisition des données alphanumériques se réalise par la saisie directe dans le SIG ou par l’importation de tableaux établis avec des logiciels tableurs ou des logiciels SGBD. Pour la saisie directe, on procède soit en créant entièrement les tableaux, soit en travaillant en mode assisté. Dans ce mode, la structure en ligne du tableau est pré-fournie par l’association des données à une couche d’information graphique (un fond administratif, un cadastre, un fond hydrographique etc.…). Les objets se distinguent graphiquement (changement de couleur par exemple) au fur et à mesure qu’ils sont identifiés. Les différentes facilités d’acquisition des données sont, sans doute, intimement liées aux logiciels, mais l’opération est longue.
Les sources d’acquisition de ces données sont aussi diverses que les technologies de production de l’information géographique se diversifient. On peut cependant les regrouper en cinq catégories :
Les données d’archive
Il s’agit des cartes, des plans, des tableaux de coordonnées qui ont été produits dans le temps et sont disposés dans les bibliothèques ou consignés dans les livres, de fiches ou autre systèmes d’archivage.
Les données provenant de mesures directes (levé topographique)
A l’aide d’outil de levé comme les niveaux, les tachéomètres et autres instruments de mesures directes, de nombreuses institutions peuvent produire directement des informations géographiques. perspective d’observation de la terre et la collecte de l’information géographique (google.com).
Les images satellitaires ou sattelitales
L’augmentation de la performance des systèmes optiques (censeur), la meilleure maîtrise des propriétés des corps dans le spectre électromagnétique, la mise au point du système satellite, le développement de l’informatique, ont donné naissance à des systèmes d’observation de plus en plus performant, permettant ainsi d’améliorer sensiblement les avancées de la photographie aérienne. A la différence des photographies aériennes, les images satellitaires plutôt des photographies, sont des enregistrements des comportements des surfaces terrestres dans plusieurs longueurs d’ondes du spectre électromagnétique. Dans le sillage de ces développements technologiques est née la Télédétection, « Ensembles des connaissances et techniques utilisées pour déterminer des caractéristiques physique et biologiques d’objets par des mesures effectuées à distance, sans contact matériel avec ceux-ci. »
Les données GPS (Global Positionning System)
Une idée originale des USA et de son armée est de mettre en place un système qui permet l’acquisition de coordonnées en tout point et en tout temps à la surface du globe. Pour cela un réseau de 24 satellites a été déployé autour de la terre. A l’aide de ce réseau et du récepteur GPS, on peut déterminer la position de tout point sur le globe dans un système de coordonnées absolues.
c) Archivage
Il s’agit de l’organisation et du stockage des données dans la mémoire de l’ordinateur. Les bases données doivent permettre la mise à jour des informations, de leurs modifications et ou de leurs suppression.
Le but de cet archivage est de centraliser les données, de relier ces données les unes aux autres et permettre leur diffusion. C’est l’une des fonctions les moins visibles pour l’utilisateur. Elle dépend de l’architecture du logiciel ou non du Système de Gestion de Base de Données (SGBD) utilisé.
d) Analyse
Elle comprend une série d’opérations qui sont : (l’agrégation, le regroupement, le découpage, l’intersection, l’union et la jointure spatiale). Les outils d’analyse sont:
- Les mesures géométriques (distance, surface, volume)
- Les requêtes sémantiques (portant sur les attributs des objets)
- Les requêtes géométriques ou spatiales (basées sur la position, la forme des données ou les relations géométriques existant entre elles)
- Les cartes thématiques (appréhension visuelle du terrain et du problème traité.)
e) Affichage
Les résultats des analyses sont mis en ordre et font l’objet d’un traitement particulier en vue de leur diffusion. Le SIG restitue les résultats sous une forme qui soit lisible par l’utilisateur. (Graphique, tableaux, cartes).
3-1-4- Etapes de mise en place d’un projet SIG
Figure 6 : Etapes de réalisation d'un projet SIG d'après RAVALET S. et PANET I.
(2001)
3-1-5- Domaines d’application du SIG
Les capacités spécifiques du Système d’Information Géographique font de lui un outil unique, accessible à un public très large et s’adressant à une très grande variété d’applications à savoir :
Gestion de l’environnement et aménagement du territoire,
Cartographie-Topographie,
De l’ensemble de la documentation parcourue, il se dégage les caractéristiques du SIG ci-après :
Ils facilitent les analyses qui nécessitent à la fois des données statistiques et des données géographiques ;
Ils permettent la mise à jour des cartes élaborées à partir de sources multiples ;
Ils permettent le traitement de volumes importants de données ;
Ils améliorent la précision des analyses et diminuent les délais de réalisation des études.
Ils permettent la simulation des impacts potentiels de décisions techniques et réglementaires, aidant à l’étude de scénario.
Un SIG permet d’abaisser, à long terme, les coûts de production des cartes et des plans. Les cartes et les plans étaient établis à la main, avec des délais et des coûts de corrections trop élevés, de mise à jour de dessin etc. Le SIG permet de les établir plus rapidement et à moindre frais.
Toutes les données cartographiques sont stockées sous forme de couche à la même échelle facilitant ainsi les superpositions et les croisements
Un SIG permet d’intégrer un nouveau besoin à faible coût lorsqu’on a déjà investi dans un SIG, une nouvelle application peut être prise en compte avec un investissement marginal.
Enfin le SIG permet des calculs utiles à la prise de décision. Le calcul le plus simple est la superposition cartographique qui peut suggérer des rapprochements ou des oppositions riches d’enseignements.