UNIVERSITÉ DU QUÉBEC
Mémoire présenté
à
l'Institut National de la Recherche Scientifique INRS-Eau
comme exigence partielle de la Maîtrise ès sciences (Sciences de l'eau) par Marie-Emmanuelle Quentin B.Sc. Mathématiques-Informatique
"Systèmes d'information géographique appliqués à
une problématique environnementale"
Au risque d'oublier de citer des soutiens précieux ayant jalonné la réalisation de ce mémoire, je tiens à remercier nommément:
- de l'INRS-Eau, mon directeur de mémoire Monsieur Daniel Cluis, ainsi que Monsieur Denis Couillard qui a bien voulu accepter d'apporter ses corrections à ce travail,
- de la Direction de l'Assainissement Agricole du Ministère de l'Environnement du Québec, Monsieur Georges Gangbazo et Madame Yolaine Blais, pour leur apport à l'établissement de l'application concrète faisant l'objet de ce mémoire,
- du bureau régional du Ministère de l'Environnement du Québec à l'Assomption, Monsieur Martin Mimeault et Madame Dominique Jutras pour leur aide à la collecte des données de terrain,
- du Laboratoire de Traitement de l'Information Géographique du Département de Géographie de l'Université Laval, Monsieur Marius Thériault dont les notes correctives ont été fortement appréciées et Monsieur Marc Miller qui a manifesté pour le sujet abordé un intérêt constructif.
RÉSUMÉ
Ce travail de maîtrise se situe dans le cadre du développement récent et rapide des systèmes d'information géographique qui ont encore été peu utilisés dans le domaine de l'environnement. Tout en situant ce type de logiciel par rapport aux capacités de logiciels antérieurs (cartomatique), on a voulu déterminer leur utilité pour des applications en sciences de l'eau.
La problématique de pollution d'un cours d'eau due à une gestion inadéquate du lisier de porc dans le cas précis du sous-bassin versant du Ruisseau-des-Anges (bassin de la rivière l'Assomption) a servi d'application concrète.
REMERCIEMENTS . i
RÉSUMÉ ii
TABLE DES MATIÈRES
. . iii
LISTE DES FIGURES . . LISTE DES TABLEAUX INTRODUCTION DES CHAPITRE 1: DESCRIPTION GEOGRAPHIQUE . • . SYSTEMES 1.1 Origine . . . • . . • . . . . 1.1.1 Cartographie 1.1.2 Mathématiques.
1.1.3 Acquisition des données .
1.1.4 Informatique . . .
D'INFORMATION
1.2 Définition des SIG . . . • . . . . . 1.3 Revue bibliographique de l'utilisation des SIG . . .
1.3.1 Applications courantes . • • . . . 1.3.2 Applications liées à l'eau . • . . . CHAPITRE 2: PROBLEMATIQUE DE LA POLLUTION DES EAUX PAR EPANDAGE
DU LISIER DE PORC . . . • • . . . . 2.1 Problème de surplus de l i s i e r . . . • . . . . 2.2 Aspect spatial du problème: l'épandage . . . . 2.3 Réglementation gouvernementale . . . . . . . . . 2.4 Solutions envisageables. . . . . . . . . CHAPITRE 3: ETABLISEMENT D'UN PROTOTYPE DE SIG ADAPTE A LA
GESTION DU LISIER DE PORC . . . . . . 3.1 Outils informatiques utilisés . . . • . . .
3.1.1 Micro-informatique . . . . • . . . . . 3.1.2 Logiciels . . . . 3.2 Bassin versant du Ruisseau-des-Anges . . . . CHAPITRE 4: METHODOLOGIE ET RESULTATS. . . . . .
4.1 Entrées des données. . . . • . . . . . . 4.2 Traitement des données . . . . 4.3 Pistes de recherche . . . . CONCLUSION BIBLIOGRAPHIE . . i i i
v
vi 1 3 3 3 5 5 7 10 25 25 28 32 32 45 50 52 57 57 57 58 70 76 76 83 94 96 97ANNEXE A: CARTES
. . .
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102ANNEXE B: BANQUE DE DONNEES STATISTIQUES
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114ANNEXE C: MACRO-COMMANDES
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121ANNEXE D: MATERIEL ET LOGICIELS UTILISES
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130ANNEXE E: ORGANISMES DIFFUSEURS DE DONNEES
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132ANNEXE F: GLOSSAIRE
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133Figure 1.1: Composantes d'un SIG au niveau logiciel
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13Figure 1. 2: Composantes d'un SIG au niveau matériel
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16Figure 1. 3: Trois types de structure de données
matricielle
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17Figure 1. 4: Approches possibles pour la conception d'un
SIG
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20Figure 1. 5: Principe du recouvrement ("overlay" )
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24Figure 2.1: Zones de concentration porcine au Québec
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34Figure 3.1: Interfaces entres les logiciels utilisés
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69Figure 3.2: Localisation du bassin versant du
Ruisseau-des-Anges
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71Figure 4.1: Données numérisées
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80Figure 4.2: Base de donnée du Ruisseau-des-Anges
(pMAP)
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82Figure 4.3: Méthodes d'obtention des résultats
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85Figure 4.4: Graphique statistique sur les producteurs
porcins du bassin du Ruisseau-des-Anges
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87LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1.1: comparaison entre les matricielle et vectorielle .
structures
Tableau 1.2: Fonctions disponibles dans les SIG. Tableau 2.1: Evolution de l'élevage porcin entre 1951
et 1982 . . . . • . • . . . . •
Tableau 2.2: Caractéristiques du lisier de porc . . Tableau 2.3: Coefficients d'utilisation de N, P, K
dans le lisier de porc . . . . . Tableau 2.4: Comparaison entre le potentiel polluant
du lisier de porc et des déjections humaines . . . . Tableau 2.5: contraintes d'épandage . . . . Tableau 2.6: Facteurs affectant le ruisellement de
l'eau sur un bassin versant
Tableau 2.7: Doses d'épandage permises par le MENVIQ .
Tableau 2.8: critères de qualité de l'eau potable . . Tableau 3.1: Structure interne d'une base de données
de pMAP
Tableau 3.2 : Commandes de pMAP
Tableau 3.3: utilisation du sol dans le bassin versant du Ruisseau-des-Anges . . . . Tableau 4.1: Résultat des requêtes effectuées sur les
données statistiques des producteurs porcins vi 19 23 35 37 39 43 46 49 51 53 61 63 72 86
Cartel: Hydrographie 103 Carte Carte Carte Carte Carte Carte Carte
2: Courbes de niveau et points cotés 3: Courbes de niveau
4: Production porcine 1989 . 5: utilisation du sol 1985
6: Doses d'épandage permises. . . . . . 7: Epandage de lisier de porc 1989 . . . . .
8: Surplus ou déficit en lisier
. . . 104 . . . . 105 . . . 106 · . 107 · . 108 . 109 110 Carte 9: Réseau routier de la cuve 11 aux champs . . . 111 Carte 10: Potentiels de réception d'éléments polluants
du lisier dans le réseau hydrographique Figure A: Relief . . . .
· . 112 . 113
NOTE: afin de regrouper les sorties coule~rs concernant le Ruisseau-des-Anges, on a inclus dans l'Annexe A (Cartes)
la Figure A qui ne présente pourtant pas une carte à proprement parler.
1
INTRODUCTION
Information: voilà un des mot-clés de notre époque. Assaillis de partout par des informations d'essence et de forme des plus variées, i l a fallu apprendre à gérer le flot de données et à le traiter afin d'en retirer toujours plus d'informations. Dans ce contexte, l'informatique arrive à point et participe à l'accélération du phénomène.
Environnement: ce terme n'a été mis à la mode que plus récemment, avec la prise de conscience de l'importance de la dégradation de l'écosystème dont les êtres humains font partie. Il n'a pas tardé a tenir lui aussi la vedette dans la vie de tous les jours. Ce qui se répercute alors dans le domaine de la recherche, où les connaissances des processus de pollution des ressources naturelles sont loin d'être complètes.
Pour lier ce que recouvre ces deux mots, on peut parler des systèmes d'information géographique (SIG). Ces outils sont eux aussi relativement jeunes et méritent donc d'être explorés. C'est dans cette optique que les grandes lignes de l'exposé qui suit ont été tracées.
Après une description théorique des SIG et une rapide mention des applications trouvées dans la littérature, les aspects spatiaux de la problématique de dégradation de la qualité de l'eau par pollution diffuse d'origine agricole seront mis en évidence pour déboucher enfin sur la partie propre à ce mémoire, une application concrète utilisant un SIG basé sur mioro-informatique pour un petit bassin versant du Québec. Cette application sera présentée en deux temps: d'une part la description et la justification du choix des données de base, d'autre part les résultats obtenus en spécifiant les méthodes employées auxquelles s'ajoutera une analyse critique.
Afin d'alléger le texte, des abréviations ont été employées: elles sont consignées dans le Glossaire de l'Annexe F, avec certains termes dont la définition peut s'avérer utile au lecteur non spécialisé dans les domaines abordés.
3
CHAPITRE 1: DESCRIPTION DES SYSTEMES D'INFORMATION GEOGRAPHIQUE
1.1 origine
Dans sa volonté de maîtriser l'espace dans lequel elle évolue,
l'humanité a dû développer des concepts et techniques liés à la
dimension spatiale. Intégrant une partie importante de ces acquis,
les systèmes d'information géographique (SIG) figurent actuellement
parmi les systèmes les plus évolués de manipulation de données à
référence spatiale.
Af in de mieux comprendre dans quel cadre
s'inscrit l'apparition de ces SIG, un bref rappel historique des
disciplines qui leur ont donné naissance s'impose.
1.1.1 cartographie
Historigue
1) Evolution de l'utilisation de la cartographie
Depuis les premières cartes ébauchées par des savants grecs il y
a plus de six mille ans, la cartographie était longtemps restée
uniquement
un
moyen
de
mémoriser
les
lieux
et
voies
de
communication.
Ce n'est qu'à partir du XVIIème siècle que se développe l'analyse
des données géographiques: la cartographie devient un outil de
planification, en particulier dans le domaine militaire, et de
développement des connaissances pour les milieux scientifiques.
Avec le XXième siècle qui voit se multiplier les moyens de
communiquer l'information rapidement (photocopieur, télévision,
micro-ordinateur),
le domaine visuel s'est taillé une place
prépondérante.
En effet, "un petit dessin vaut mieux qu'un long
discours" étant donné la densité d'information que peut contenir
une image.
Du fait qu'aux données statistiques s' aj outent par
définition des coordonnées spatiales,
la carte est le moyen
permettant de représenter le plus grand nombre d'informations par
unité de surface.
Par exemple, Tuf te (1983) estime qu'une carte
des Etats-unis présentant les taux de cancer par Etat contient
environ 21 000 nombres;
cette page contient au
comme point de repère, mentionnons que
plus 2 275 caractères (35 lignes x 65
caractères).
Ainsi, considérée comme outil de communication, la
carte a une efficacité à divers degrés:
- au niveau informatif puisqu'elle permet la transmission d'une
grande quantité d'information,
- au niveau de la vulgarisation car son format moins rébarbatif
que des données statistiques brutes donne une accessibilité de
l'information à un public plus large,
- au niveau pédagogique étant donné que là encore, il est plus
facile de comprendre et d'assimiler des résultats présentés sous
forme de carte plutôt que sous forme de texte ou de tableau de
chiffres.
2) Types de carte
On distingue d'abord les cartes
topographiques,sur lesquelles on
peut retrouver: -
le relief du terrain
-
les objets qui s'y trouvent en permanence.
A partir du
XVlème
siècle,
on
voit apparaître
les cartes
thématiques
qui
présentent
un
sujet
bien
précis
(régions
administratives, forêts, routes, ... ) sur un fond repère.
Ce type
de carte connaît un essor considérable au XIXème siècle avec les
cartes géologiques, politiques et économiques.
Il est intéressant
de constater que la carte a été la première forme graphique de
représentation de données statistiques, les courbes ou diagrammes
n'ayant été introduits qu'à la fin du XVlllème siècle.
5
Définition actuelle de la cartographie
A la fois science par le degré de connaissance qu'elle implique et art par son côté graphique, la cartographie englobe la conception, la préparation, la réalisation et l'interprétation des cartes et des plans.
1.1.2 Mathématiques
Comme les capacités des SIG seront étudiées plus loin, les principaux domaines mathématiques auxquels les SIG font appel ne sont que brièvement rappelés ici.
La géométrie, qui a connu son essor dans la Grèce antique, est un outil de base pour tout ce qui concerne le graphisme, que ce soit pour des représentations planes d'objets à 2 dimensions tels que
les frontières d'un territoire ou à 3 dimensions comme le relief d'un terrain (qui est du ressort de la géométrie projective). Le développement récent de l'analyse statistique (avant 1900, la statistique restait purement descriptive) permet le traitement de gros volumes de données. De nombreuses méthodes statistiques font appel aux notions déjà bien établies d'algèbre linéaire (matrices). Conjointement, bien que développées à partir du XVIIème siècle pour l'étude des jeux de hasard, les probabilités se sont introduites dans les divers domaines scientifiques comme outil de prévision et d'analyse d'erreur.
L'utilisation de modèles mathématiques s'accroît avec la naissance du concept d'optimisation, lui-même issu de l'avènement du calcul différentiel au XVIIème siècle. L'analyse numérique apporte des méthodes de résolution et d'approximation, mais faute de moyens de calculs efficaces, l'intérêt pour ce domaine décline vers la fin du XIXème siècle et ne resurgira qu'avec l'apparition des ordinateurs.
Données cartoqrap
En ce domaine, les techniques efficaces sont récentes. En effet, pour complêter les traditionnels levés sur le terrain (arpentage), iI faut attendre ltapparition des moyens de transport aériens au début de ce siècle. Crest alors que la têlêdétection prend son e s s o r :
- tout drabord avec les photographies aêriennes. En particulier, iI faut noter ltutilisation des films infrarougre couleurs (IRC) adaptés pour lrétude de la pollution de lreau, pour les études hydrographiques et hydrologiques. Les techniques de
photo-interprétation, dont la photogramnêtrie, auçlmentent Ia précision des cartes topographiques et Ie nombre de terres cartoqraphiées. - à partir de L972, date du lancement du premier satellite Landsat destiné à la téIédétection des ressources terrestres, les images satellites vont srimposer. Ces documents possèdent deux caractéristiques fondamentales pour le sujet qui nous intéresse:
* une image satellite est constituée de pixels et se prête donc bien au traitement matriciel,
* les données sont disponibles sous forme numérigue, ce qui les rend directement utitisables pour 1e traitement informatique. 11 est à noter guê, à cause de la grande quantité de données rendue ainsi disponible et de la cornplexité de leur interprétation, Itexploitation de ces images en est encore à ses balbutiements. La recherche sur les méthodes et techniques permettant I t u t i l i s a t i o n r a p i d e e t e f f i c a c e d e s d o n n é e s s p a t i a l e s ( L a n d s a t , S P O T d e p u i s 1 9 8 6 , ê t 1 e s a t e l l i t e c a n a d i e n R a d a r s a t q u i d o i t ê t r e
lancé dans 1es années à venir) est encore en plein développernent.
D o n n é e s s t a t i s t i q
Trois points majeurs peuvent freiner 1'emploi de données s t a t i s t i q u e s :
7
le cott économique de Itacquisition de ces données,
la qualité des données obtenues (précision, homogénéité), Ia facilité draccès à ces données (dépendant du support sur I e q u e l e l l e s o n t é t é c o l l i g é e s ) .
or depuis quelques dizaines drannées, Ies divers paliers de gouvernement (fédéral, provincial, municipal) accumulent une quantité considérable de données statistiques (recensements, inventaires), êD particulier sur la ressource eau et plus récemment sur les questions environnementales. On trouvera à lrAnnexe E une li-ste des principaux bureaux où lron peut retrouver ces informations.
A f i n d r é v i t e r 1 e g a s p i l l a g e q u r e n t r a i n e l a c o l l e c t e d r u n m ê m e ensemble de données par divers organismes, et pour accroitre l r a c c e s s i b i l i t é à l r i n f o r m a t i o n r e c u e l l i e , o n c o n s t a t e d e p l u s e n plus une volonté de standardisation dans 1e format sous lequel ces données sont distribuées (en particulier, numérisation sur support informatique des données). Cette tendance est rendue drautant plus nécessaire avec Itintroduction droutils de traitement qui ne sont efficaces que dans Ia mesure où les données drentrée sont facilement disponibles et fiabl"es. Au Canada, une partie de ce t r a v a i l e s t e f f e c t u é e p a r l t O f f i c e d e s n o r m e s g é n é r a l e s q u i comprend en particulj-er un Comité des normes sur les SIG.
1 . 1 . 4 I n f o r m a t i q u e
Nés de la recherche opérationnelle et de 1a physique nucléaire, Ies premiers ordinateurs apparaissent après 1a Seconde Guerre mondiale. Les possibilités de traitement de f information sont a l o r s d é c u p l é e s .
M a t é r i e 1 ( t t h a r d w a r e t t )
C I é s d e l t u t i l i s a t i o n c r o i s s a n t e d e l r i n f o r m a t i q u e d a n s 1 e s m i - L i e u x scientifiques, 1â vitesse de traitement et la capacité de mémoire
des micro-ordinateurs sont en progression constante. Ltarri-vée, lors de la décennie précédente, de 1a micro-informatique à un prix de revient qui décrolt rapidement a permis une plus grande accessibilité à cette technologie.
A un rythne plus lent, sê perfectionnent aussi les périphériques essentiels à lrentrée-sortie des données graphiques: tablettes numérisantes, souris, photostyles, écrans graphiques, traceurs. Le critère fondamental qui mène le développement de ces appareils dans les années 60 est Iraccroissement de leur pouvoir de r é s o l u t i o n .
L o q i c i e l ( r r s o f t w a r e t t )
Outre I'application de méthodes mathématiques coûteuses en temps d e c a 1 c u l ( s t a t i s t i q u e , c a l c u l n u m é r i q u e ) , d e s s p é c i a l i s a t i o n s surgissent:
lrinfographie ou graphisme assisté par ordinateur:
Les premiers systèmes graphiques (années 50) doivent leur création aux investissements dtorganismes militaires (systène américain SAGE de défense et de contrôte aérien) et de manufacturiers d'avi-ons et drautornobiles. Avec la baisse des prix du matériel- graphique
(années 7O), Ie marché du logiciel graphique va progresser. Mentionnons ici deux applications importantes de f infographie:
* Ia conception assistée par ordinateur (cAo) qui comprend les logiciels permettant de calculer et de visualiser des formes graphiques à 2 ou 3 dimensions. La cAo est utilisée p r i n c i p a l e m e n t d a n s l e s d o r n a i n e s d e l r a u t o m o b i l e , d e I r a é r o n a u t i q u e , d e l a m é c a n i q u e e t d e I t é l e c t r o n i q u e , l e p l u s connu de ce type de logiciel étant sans doute AutoCAD;
* la visualisation d e n o d è l e s n u m é r i q u e s d ' a l t i t u d e ( M N A ) . le traitement dr images nunêriques
Ce domaine est né avec le programme drexploration planétaire de 1a N A S A a u m i l i e u d e s a n n é e s 6 0 . D e I ' a n a l y s e d e s i m a g e s d ' o b j e t s c é l e s t e s à l t é t u d e d e s i m a g e s o b t e n u e s p a r l e s s a t e l l i t e s d t o b s e r v a t i o n t e r r e s t r e ( S e a s a t , G O E S , L a n d s a t , . . . ) , 1 e p a s a é t é
9 vite franchi.
Une image nurnérique est une matrice constituée de pixels (picture element) dont la valeur est une intensité numérique. A noter, entre autres, la technj-que drobtention drune image multispectrale par superposition de ses composantes spectrales.
le problème du stockage et du traitement de gros volumes de donnêes - problème particulièrement aigu dans la plupart des entreprises et dans les instituts statistiques - a donné naissance aux systèmes de gestion de bases ôe données (SGBD) à partir du milieu des années 60. Les SGBD de deuxiène génération, basés sur le modèIe relationnel et développés depuis L97O, nront commencé à être commercialisés qurau début des années 80. Cette branche de la bureautique est donc encore en pleine évolution. De plus en plus, les bases de données sont orqanisées en banques de données accessibles par modem.
- à la fin des années 60, le scientifique français Bernard Dubuisson propose un nouveau terme pour désigner les méthodes et techniques touchant aux systèmes de collecte, manipulation, affichage et diffusion des données nurnériques à référence géographique: Ia géonatique. on y retrouve:
* Ia cartomatique, appelée tout dtabord cartographie automatique (ce terme étant toutefoi-s moins approprié puisque Itj-ntervention humaine reste nécessaire pour bien des étapes d e l a c a r t o g r a p h i e ) ; c e d o m a i n e a p a r l a s u i t e é t é q u a l i f i é de cartographie assistée par ordinateur avant la création du mot cartonatique. Ce type de logiciel sera discuté plus en d é t a i l d a n s 1 e c a d r e d e I ' a p p l i c a t i o n c o n c r è t e é t u d i é e p l u s 1 o i n .
* les systèmes drinformation gêographique.
F a c e à I a n u l t i p l i c a t i o n d e s m a r q u e s d r o r d i n a t e u r s , f r e i n m a j e u r à 1 ' e r n p l o i d e 1 a t e c h n o l o g i e i n f o r m a t i " q u e , l r i n c o n p a t i b i l i t é e n t r e 1 e s d i v e r s s y s t è m e s d ' e x p l o i t a t i o n , t e n d à d i s p a r a î t r e : 1 a portabilité des programmes est devenue fondarnentale dans Ie dornaine d e l a m i c r o .
Un phénornène similaire srobserve au niveau du transfert de données entre des logiciels différents: des formats standards (DIF pour les bases de données, ASCII) pernettent It importation et I r e x p o r t a t i o n d e I ' i n f o r m a t i o n d r u n p r o g r a n m e à l r a u t r e . 1 1 e s t irnportant que cet aspect se développe car, dans un projet informatique, la phase de saisie de données est souvent la plus longue et la plus fastidieuse.
Pour illustrer cette volonté de portabilité en ce qui concerne les SGBD, on peut citer en particulier le système purement relationnel ORACLE.
Ce rapide survol historique montre combien le domaine informatique est relativement récent: cela explique lrabsence de normes tant au niveau du vocabulaire employé (souvent emprunté à lranglais) que des fonctions offertes par des logiciels pourtant classés dans une même famille.
1 . 2 D é f i n i t i o n d e s S I G
H i s t o r i q u e d e s S I G '
Le concept de SfG a été défini au début des années 60 et on peut considérer que le premier système opérationnel- au niveau national est Ie Système drlnformation Géographique du Canada mis sur pied en 1964. Le système LUNR (Land Use and Natural Resources Inventory of New York State) né en même temps srest révé1é être un échec. L t i n v e s t i s s e m e n t e n m a t é r i e l é t a n t c o n s i d é r a b l e , c ê n r e s t q u r a v e c les annêes 80 que les SIG commencent à être largement utilisés. Tomlinson ( l-984 ) estirnait qu t il y avait environ l- OO0 SIG en o p é r a t i o n a u x E t a t s - U n i s e n 1 9 8 3 e t c r e s t I e s y s t è m e A R C I I N F O G I S de lrEnvironmental Systems Research fnstitute (ESRI) qui semble p r é s e n t e r n e n t e n t ê t e [ M a g u i r e , ] - 9 8 9 1 . T o u t e f o i s , i 1 i m p o r t e d e disti-nguer actuellement :
l_
l-les SIG cornmerciaux, qui bien souvent nront pas encore les capacités dravant-garde qui rendent Ia technologie des SIG prometteuse,
les SIG de recherche, développés dans les universités, dont la convivialit.é laisse à désirer.
C a u s e s d e I r a p p a r i t i o n d e s S I G
Le concept de SIG trouve sa source dans les caractéristiques propres aux données géographiques.
Burrough (1986) distingue trois composantes dans une donnée géographique:
1a position par rapport à un système de coordonnées relié à 1a Terre: crest pourquoi on utilise parfois le terme drinformation à référence géographique (dans la littérature, le terme spatial est parfois utilisé bien qu'il englobe un type de d o n n é e s p l u s l a r g e ) ,
I ' a t t r i b u t n o n l i é à la relation avec les t o p o l o g i e s r e x p r i m e l e p l u s
( c o u r b e s , p o l y g o n e s ) .
Eventuellement, une quatrième composante pourrait être ajoutée: la dj-mension temporelle.
on voit dès lors que les problèrnes liés au traitement des données géographiques découlent de:
Ieur abondance,
1 a q u a l i t é d e s d o n n é e s d i f f i c i l e à c o n t r ô l e r d è s q u ' i 1 s t a g i t d e l r e n v i r o n n e m e n t n a t u r e l .
Toutefois, pour de nombreux types de données géographigues, lraspect spatial est lentement variable ou quasi constant
( p é d o l o g i e , c a d a s t r e , . . . ) : ce facteur e s t d o n c f o r t i n t é r e s s a n t car il dirnj-nue 1a fréquence nécessaire de mise à jour des données. M a g u i r e ( L 9 8 9 ) i d e n t i f i e a l o r s q u a t r e f a c t e u r s e x p l i q u a n t l e développement des SIG:
la position
autres données géographiques: cette souvent sous des formes géornétriques
Ia prolifération de données à référence géographiquer êr'r particulier sous forme numérisée (sur support informatique),
Ie progrès des théories et techniques géographiques,
I'aspect nulti-dimensionnel des données ne pouvant être gêrê par des SGBD traditionnels,
l r e x i s t e n c e d t u n m a r c h é ( c r e s t - à - d i r e d r u n e d e r n a n d e ) .
Terminoloqie
Au sens large du terme, un SIG serait tout système traitant de données géographiques. Dans le cadre de ce mémoire et draprès Ia littérature sur le sujet considéré, on considère la définition encore très générale suivante:
un SIG est un système informatique intêgré permettant de collecter, gêrer, analyser et présenter des données g é o g r a p h i q u e s ( v o i r F i g u r e 1 . 1 ) .
La notion drintêgration est fondamentale puisqurelle confère aux SIG leur puissance et donc leur raison drêtre. ElIe suppose donc des interfaces de qualité entre:
1es cornposantes natérielles du système,
Ies composantes au niveau logici-eI du systèrne, l e n i v e a u m a t é r i e l e t 1 e n i v e a u l o g i c i e l .
11 est à noter que dans la littérature Ie terme de SIG réfère souvent uniquement aux composantes de type logiciet de ces systèmes.
La collecte ou entrée des données permet le tranfert de données externes au système dans un format utilisable par 1e système: elle s e f a i t p a r I t i n t e r m é d i - a i r e d u c l a v i e r , d r u n e t a b l e t t e n u m é r i s a n t e o u d r u n f i c h i e r .
La gestion des données concerne Ie transfert des données entre Ie l i e u d e s t o c k a g e ( f i c h i e r s ) e t l r u n i t é c e n t r a l e d e t r a i t e m e n t .
F i g u r e 1 . 1 : C o m p o s a n t e s
d ' u n S I G a u n i v e a u l o g i c i e l
s o r t i e
g e s t i o n
n n l r A n \ J l I t t \ t \ ta n a l y s e
LranaLyse des données aboutit à ltobtention de nouveaux résultats. Crest principalement sur ce plan que les SIG ont innové.
Enfin, la présentation ou sortie des données est Ie processus permettant le transfert des données drun format interne au système à un format externe, QUê ce soit dans un fichier, sur écran ou sur papier grâce à une imprimante ou un traceur.
Même si de nombreux SIG se développent en vue dfune application bien précise (voir par exemple le logiciel pMAP présenté au Chapitre 3), Ie logiciel de SIG conserve un caractère plus gênéral. Un mêne logiciel peut donc être utilisé pour monter plusieurs SIG
spécialisés, ce qui lirnite la redondance dans lréIaboration des systèmes et Ia saisie des données.
Pour tous les domaines Iiés à ltespace géographique, un SIG complet devrait donc permettre:
- un inventaire des données géographiques disponibles,
- une meilleure g e s t i o n s u j - t e à l f a n a l y s e d e c e s d o n n é e s ,
- une planification grâce à des simulations à partir de ces données,
- un développement dans la recherche par }e soutien que peut apporter un SIG à 1a rnodéIisation du monde rée}.
P e r f o r n a n c e d r u n S r c
Un SIG sera plus ou moins performant en espace mémoire et en temps r e q u i s s e l o n :
Ies caractéristiques du rnatérieI,
le modèIe de structure de données adopté,
les algori-thmes choisj-s et la façon dont ils ont été implantés.
types ae matArief s
V u e l a q u a n t i t é d ' i n f o r m a t i o n à t r a i t e r , 1 e s S I G 1 e s p l u s perf ormants sont encore sur ordinateur central ( ttmainframerr ) ou
l_5
sur mini-ordinateur. Toutefois, Ies limites de 1a micro-informatique sont repoussées: notons en particulier Itarrivée de systèmes dtexploitation nultitâches et où la capacité de mémoire v i v e n r e s t p l u s u n e c o n t r a i n t e ( o s l 2 ) . A i n s i , d e p l u s e n p l u s d e SfG existent en version micro.
La Figure !.2 présente une configuration classique drun SIG au point de vue matériel.
T v p e s d r o r c r a n i s a t i o n i n t e r n e d e s l o q i c i e l s d e S I G
1) Structures de données
La spécificité des données géographiques a nécessité la mise au point de structures de données particulières. Basées sur Ie type d r e n c o d a g e d e l r a s p e c t s p a t i a l d e s d o n n é e s ( o n s e r é f è r e i c i à I a structure de la géobase et non de la base des données-attributs), on distingue deux structures possibles:
* structure n a t r i c i e l l e ( ' r r a s t e r r r )
Lrespace géographique considéré est divisé en cellules de s u p e r f i c i e é g a l e . L r u n i t é h o m o g è n e e s t l a c e 1 l u 1 e e t s a d i m e n s i o n d o n n e I a r é s o l u t i o n . L t a t t r i b u t n o n s p a t i a l ( v a r i a b l e ) e s t 1 e nombre associé à Ia cellu1e considérée. La topologie est i m p l i c i t e . P u i s q u t u n e m a t r i c e o u c o u c h e ( t t l a y e r r t ) c o r r e s p o n d e n fait à une carte thérnatique sur laquelle ne figure qu'un thème (ou v a r i a b l e ) b i e n d é f i n i , t o u s l e s é I é m e n t s d r u n e c a r t e c l a s s i q u e ( s u r papier) devront souvent être représentés par plusieurs matrices. A p a r t j - r d e c e s c o n c e p t s d e b a s e , l o m 1 i n ( 1 9 8 3 ) i d e n t i f i e t r o i s façons de structurer les données qui se différencient par le niveau draccès auquel est situé chaque facette drune donnée géographique. C e s t r o i s m é t h o d e s s o n t i l l u s t r é e s à 1 a F i g u r e 1 . 3 .
La structure matricj-e1Ie réduit considérablement 1e temps de certains traitements mais peut être coûteuse en espace rnémoire. Certaines méthodes de compacti-on perrnettent de réduire cet i n c o n v é n i e n t ( r r r u n l e n g t h c o d e r r , r r g u a d t r e e r r ) .
F i g u r e 1 . 2 2 C o m p o s a n t e s d ' u n S I G a u n i v e a u m a t é r i e l
E N T R E E
d i s q u e
d i s q u e t t e
b a n d e m e g n é t i q u e
S T O O K A G E
S O R T I
E
e c r a
n
i m p r i r n a n t e
t r a ç e u r
c l a v i e r
n u m é r
i s e u r
u n i t é c e n t r a l e
d e t r a i t e m e n t
l n n i n i a l q t v u r v r v r uT 7
F i g u r e 1 . 3 : T r o i s t y p e s d e s t r u c t u r e d e d o n n é e s m a t r i c i e l l e
U d I L U U d I t t ja n - * nc a r te
I
V
p o i n t
+
I
d";rrÀ\
v___/
I
V
,/--71J
p o i n t
t
ri".qrcà
\:__-/t
/-7
L - Jp o i
n t
* structure vectorielle
Lrunité homogène est le point, Ia ligne (ensemble de points) ou Ie polygone (Iigne fermée). on enregistre les coordonnées des points par rapport à un système de référence fixé. La résolution dépend alors de lrespace mémoire alloué pour une coordonnée. A chacune des entités vectorielles est associé un attribut non spatial. La topologie étant explicite (noeuds et arcs), cette structure est idêale pour les analyses de grraphes (réseaux). Par contre, elle devient inefficace pour les algorithmes faisant appel au principe de recouvrement (rroverlaytt) .
Le Tableau 1.1- résume Ia comparaison entre ces deux modèles. 11 faut remarquer que jusqurà présent, la dimension temps ajoutant à la complexité du traitement drune donnée géographique, el1e nra pas encore été intégrée dans les SIG de façon explicite.
2, Systèmes de gestion de la base de données qéographiques
Les SGBD développés pour les données non spatiales servent drintermédi-aires entre la base de données et les programmes d t a p p l i c a t i o n d e s d i v e r s u s a g e r s : c e l a p e r m e t ' d e c o n s e r v e r
ltintégrité des données et de rendre les programmes indépendants de 1a structure de données.
Actuellement, Aronoff (1989) distingue quatre tendances dans 1a c o n c e p t i o n d e s S I c ( v o i r F i g u r e 1 - . 4 ) :
I/ accès direct à Ia base de données
L e M A P ( M a p A n a l y s i s P a c k a g e ) m i s a u p o i n t p a r T o m l i n ( 1 9 8 3 ) u t i l i s e c e m o d e d e g e s t i o n .
2/ systèrne hybride comprenant:
- un SGBD pour 1es données non spatiales
- un logiciel pour données spatiales avec accès au SGBD. C r e s t l e c a s d ' A R C I N F O c I S o ù I N F O e s t u n S G B D s e m i - r e l a t i o n n e l . 3/ le SGBD est le centre du système autour duquel 1es concepteurs greffent ce qui manque pour en faire un SIG.
l-9
les
structures
natricielle etTableau 1.1: Comparaison entre
. vectorielle
structure
matricielle
Structure
vectorieLIe
Reprêsen-tation
rrrFTT
/
nEâLrlE
I
ffi/*/
\i"""' ^ Ç { \xrtr \ \ c h a r p ) *tua \u n i t é
bomogène c e l l u l e point -> ligne -> polygoneÀvantages
structure simplee f f i c a c e p o u r l e s opérations de recouvrement
( rroverlayrr )
é c o n o m i q u e s i I a variabilité spatiale est élevée structure cornpacte - topologie explicite = = > e f f i c a c e p o u r l e s o p é r a t i o n d r a n a l y s e d e réseau
- permet d'obteni-r plus facilement une plus grande p r é c i s i o n a i n s i q u r u n e bonne qualité graphique
D é s a v a n
-tages
u t i l i s e b e a u c o u p d I espace-mémoire ( N B : i l e x i s t e d e s techniques de compression) - topologie irnplicite - : > d i f f i c i l e à m a n i p u l e r et à représenter - précision e t q u a l i t é d e s sorties graphiques plus d i f f i c i l e s à o b t e n i r ( e n p a r t i c u l i - e r , p e r t e d ' i n f o r m a t i o n s i l - a c e l l u l e c o u v r e u n e g r a n d e s u p e r f i c i e d e t e r r a i n ) - structure complexe o p é r a t i o n s d e recouvrement non ef f icaces - peu intéressant si Ia v a r i a b i l i t é s p a t i a l e e s t grandeF i g u r e 1 . 4 : A p p r o c h e s p o s s i b l e s p o u r l a c o n c e p t i o n d ' u n S I G
f i c h i e r d € d o n n é e s s p a t i a l e s e t a t t r i b u t s SGBD pour r€s attri buts l o g i c i e l d e g € s t i o n d e s d o n n é e s s p a t i a l ê s b a s e d ê d o n n é € s s p a t i a l e s b a s € d e d o n n é e s a t t r i b u t s ex {enstons au SGBD pout gérer les donné€s spatialesSGBD conÇu pour S I G b a s e d € d o n n é e s b a s ê d ê d o n n é e s
[ s o u r c e :
A r o n o f f (1 9 8 9 ) ]
2 L
4/ vêrLtable SGBD intégrant les données spatiales et non spatiales. Bien que la quatrième solution soit à prime abord la plus appropriée, la plupart des systèmes en sont encore à lrapproche f i c h i e r ( ! / ) .
3 ) I n t e r f a c e a v e c I r u s a g e r
Les SfG se situent à un niveau supérieur aux langages de progranmation: certains procèdent par langage de commande (langage descriptif qualifié parfois de langage de 4ème génération), mais la plupart des SIc comnerciaux tendent vers la convivialité et fonctionnent donc par menus.
Une particularité intéressante des 1-angages de commande est la possibilité de créer des rrmacro-commandestt qui consi-stent en une suite de comrnandes exécutées séquentiellement.
4) Interface avec des programmes externes
C e t a s p e c t , p o u r t a n t e s s e n t i e l à I a f l e x i b i l i t é d ' u t i l i s a t j - o n d e s SIG, laisse encore à désirer: les concepteurs tiennent encore à ne pas divulguer Ies structures de données internes et 1es a l g o r i t h m e s q u ' i l s o n t m i s a u p o i n t .
Pourtant, pâr leur caractère général, 1es SIG ont des linites dans Ia manipulation des données, limites pouvant être repoussées par des programmes dêveloppés pour des applications spécialisées: les données doivent donc être rendues accessibles hors du SIG.
Foncti-ons disponi-bles dans un SfG
Suivant les données traitées, or peut grouper ces fonctions en t r o i s c l a s s e s :
I / f o n c t i o n s n e t r a i t a n t q u e l ' a s p e c t s p a t i a l d e s d o n n é e s 2 / f o n c t i o n s n e t r a i t a n t q u e l r a t t r i b u t n o n s p a t i a l
3/ fonctions i-ntégrant les aspects spatiaux et non spatiaux des données géographiques.
Le Tableau L.2 fait une revue des fonetions idéalement disponibles d a n s u n S I G .
Base drune bonne partie des fonctions de la troisième catégorie, Ie principe de recouvrement (rroverlayrr) est capital dans les SIG: il est expliqué par la Figure 1.5 . Autre concept important et récent dans Ie développement des SIG: Ia modélisation cartographique [Ton1in, 1983]. Se situant dans Ie contexte de la planification environnementale, Tomlin a constaté un mangue au niveau droutils permettant la synthèse des diverses informations géographiques. 11 a donc défini ce quril appelle une rfalgèbre cartographiquert qutil a illustrée par Ie développement drun langage de haut niveau, le Map Analysis Package (MAP). La modêlisatj-on cartoqraphique consiste alors à combiner ces prirnitives de manipulation de données géographiques en une séquence logique afin de résoudre des problèmes spatiaux plus complexes. Cette déf inition irnplique que la puj-ssance d I un SIc au niveau de 1a modélisation dépend:
- des prinitives ou fonctions de base disponibles, - de lralgorithme choisi pour implanter ces primitives.
Certaines prirnitives relativement complexes sont en fait déjà une séquence de fonctions de base: el1es ont en généra1 été développées dans J- 'optJ-que d I une application spécif ique. Un exemple quron retrouvera plus loin concerne 1a notion de drainage a m o n t - a v a l , e s s e n t i e l - l e d a n s l e s a p p l i c a t i o n s l i é e s à l r e a u .
P a r t i c u l a r i t é s d e
Les éléments suivant mettent en évidence Ia spécificité des SIG: - par rapport aux systèmes géographiques non informatisés:
* économie drespace de rangement, * rapidité d r a c c è s a u x d o n n é e s ,
2 3
T a b l e a u L . 2 ? F o n c t i o n s d i s p o n i b l e s ô a n s l e s S I c
opérations sur I I aspect sDatial des données créoqraphicrues - transformation du format (natriciel <--> vectoriel)
- transformations géométriques (changement de projection, d r é c h e l l e , z o o m )
- édition et mise à jour
- contrôIe de qualité des données
- présentation cartographique des sorties
ttri
ts non
on et mise
our
- requêtes
( p o u r p l u s d e d é t a i l s , s e r é f é r e r a u x S G B D c l a s s i q u e s )
Opérations sur les points (cellules)
- algèbre classique: + - x + exp log
opérations trigonométriques
opérations booléennes (ET/OU) - statistiques: m o y e n n e , e x t r ê m e s , d i v i s i o n e n c l a s s e s
( d i s c r é t i s a t i o n ) , f r é q u e n c e s
opérations sur Les rêgions (ensemble de cellules de même v a l e u r d ' a t t r i b u t )
- reclassification
- mesures: superficie, périmètre, forme intersection
Otrérations sur le voisinage drun point (ensemble de cellules l o c a l i s é e s p a r r a p p o r t à u n e c e l l u l e )
algèbre ou statistiques sur Ie voisinage i s o l i g n e s , p e n t e , o r i e n t a t i o n
i n t e r p o l a t i o n
fonctions de connexj-té (distance, contiguïté)
- opérations sur une surface continue et tenant compte de barrières absolues ou relatives
( r r o v e r l a y r r ) U T I L I S A T I O N DU SOL TYPE DE SOL TOPOGRAPH I E RÉSUITATS DE L ' ANALYSE F i g u r e x . 5 : P r i n c i p e CARTE D I U T I L I S A T I O N DU SOL CARTE DES SOLS C A R T E TOPOGRAPH I OUE R É A L I T É I S o u r c e : À r o n o f f ( 1 9 8 9 ) ] du recouvrenent t r R A S T E R I S A T I O N I I i l R A S Ï E R I S A T I O N ' I ---|> I I R A S T E R I S A T I O N t r
2 5
* conservation de la qualité des données (alors gurun support papier est sujet à lrusure du temps et à des déformations en particulier si on considère les reproductions de grandes cartes) ;
par rapport aux systèmes graphiques non géographiques:
* association drattributs thénatiques aux entités spatiales, * structuration autour du concept de base de données;
par rapport
aux systèmes inforrnatiques
de cartographie:
* création de nouvelles cartes à lraide de fonctions intégrant
les aspects spatiaux et thématiques des données géographiques.
II est à noter qurun SIG idéal devrait intégrer toutes 1es fonctions disponibtes dans les logiciels actuels de cartographie informatisée.
1 . 3 R e v u e b i b l i o q r a p h i q u e d e l r u t i l i s a t i o n d e s S I G
C e t t e p a r t i e v i s e à s i t u e r j u s q u ' à q u e l p o i n t L e s c a p a c i t é s S I G sont présentement utilisées, en particulier pour ce qui concerne 1 a r e s s o u r c e e a u . B i e n q u e f r e i n s à l r a v a n c é e d e s S I G , l - e s p r o b l è m e s o r g a n i s a t i o n n e l s q u r e n g e n d r e n t I ' i n t r o d u c t i o n d e c e t t e technologie dans une institution nrentrent pas dans Ie cadre de cette étude.
1 . 3 . 1 A r r p l i c a t i o n s c o u r a n t e s
E v e n t u e l l e m e n t , u D S I G e s t s u s c e p t i b l e d r ê t r e u t i l - e p o u r t o u s l e s domaj-nes qui doivent manipuler des informations à référence géographique. Toutefois, le coût de revient de ces systèmes en a
restrej-nt lraccès aux organismes voués à la gestion de données d r u t i l i s a t i o n d u t e r r i t o i r e .
l-) Gestion municipale
Ce domaine a donné naissance à des sIG spécialisés: les Systèrnes drlnformation Urbaine à Référence Spatiale (rrl,and IRecords]
Information Systemtt ) .
Somers (L987) rapporte qurenviron 7A à 80 Z de f information manipulée par les municipalités est à référence spatiale. Le modèle conceptuel de base est 1e modèle de cadastre à usages nultiples qui comprend:
- un réseau de points de contrôIe géodésiques
le réseau routier (graphique) incluant les pâtés de maisons le cadastre (graphique)
1es données non graphiques liées au cadastre (données fiscales, a d m i n i s t r a t i v e s , s u r l e s r e s s o u r c e s n a t u r e l l e s , . . . )
Dans ce type de nodèle, 1'entité fondamentale du SIG est le cadastre ou propriété foncière.
Les besoins auquels doit répondre un te1 système sont nombreux: gestion, évaluation et taxation foncièresp conception de plan de développernent et d'utilisation du territoire; érnission de permisr' inspections; gestion des services publiques (police, transport en c o m m u n ) ; g e s t i o n d e r é s e a u x ( e a u , é g o u t s , é l e c t r i c i t é , télécommunications, routes) ; information du public (cartes) .
Les exemples Ies plus cités concernent les SIG développés pour les v i l l e s s u i v a n t e s : M i n n e a p o l i s ( M i n n e s o t a ) , L o s A n g e l e s (Californie) , Houston (Texas) , Calgary (Alberta) , Burnaby (Colornbj-e B r i t a n n i q u e ) , S a n D i e g o ( C a l i f o r n i e ) [ A r o n o f f , ] . 9 8 9 1 . A u n i v e a u d u Q u é b e c , c r e s t d a n s 1 a v i l l e d e G r a n b y q u e l a m i s e a u p o i n t d r u n S I U R S e s t l a p l u s a v a n c é e , u n t e l t y p e d e p r o j e t f a i s a n t l r o b j e t d ' é t u d e s d a n s p l u s d r u n e t r e n t a i n e d e v i l l e s .
2 7 2l Gestion , des ressources naturelles
- Les institutions publiques responsables de la gestion de Ia forêt et de la faune (au Québec: secteur Forêts et Terres du Ministère drEnergie et Ressourcesl Ministère Loisir, Chasse et Pêche) sont de grosses consonmatrices de données à référence spatiales. Les SIc y constituent les outils privilégiés pour effectuer des inventaires forestiers et fauniques et des études d'impact suite à des activités humaines ou des catastrophes naturelles.
- En géologie, les compagnies drexploration minière ou pétrolière ont tiré avantage du principe de recouvrement des SIG pour établir, à partir dtéchantillon de données et de modèIes statistiques, les sites de gisement potentiels.
- Dans le domaine agricole, Ia gestion du territoire a aussi amené les organisations concernées à se munir de sIG dont lrentité de base est Ie cadastre. Comme dans le cas des zones urbaines, Ventura et al. ( 1-988 ) insiste sur 1 t intérêt des SIG à usagies n u l t i p l e s .
Dtautre part, 1es sfc on aussi servi à estimer Ia production agricole par des modèles de simulation de Ia croissance des c u l t u r e s m a i s c e t y p e d t a p p l i c a t i o n e s t e n c o r e r a r e .
- Les problêmatiques environnementales globales ne tiennent pas compte des frontières administratives. De plus, la téIédétection f o u r n i t d e s d o n n é e s à 1 t é c h e l l e d e I a p l a n è t e . L e s é l é r n e n t s n é c e s s a i r e s à l t e r n p l o i d e s S f G s o n t d o n c r é u n i s . A r o n o f f ( 1 - 9 8 9 ) c i t e t r o i s e x e m p l e s d e c e t y p e d t u t i l i s a t i o n :
. en combinant un modèle de classification, uD modèle de circulation générale et des méthodes propres aux SIG, le Service Canadien de la Faune a pu faire des prévisions sur les tendances climatiques au Canada suite à lraugrmentation du taux de dioxyde de c a r b o n e d a n s 1 ' a t m o s p h è r e ( e f f e t d e s e r r e ) I
. depuis l-985, Ia Cornmunauté Européenne a mis sur pied un programme d e C o o r d i n a t i o n d e I r l n f o r m a t i o n s u r l r E n v i r o n n e m e n t E u r o p é e n (CORINE) qui doit permettre inventaires et analyses pour des
échelles variant de lrordre de 1- kmz à Ia grandeur de lrEurope. fnplanté à partir du système ARC/INFO, cê SIG a déjà perrnis drappuyer certaines études environnementales.
. Ie Programme des Nations-Unies pour lrEnvironnement (PNUE) subventionne plusieurs projets basés sur les sIG: estj-mation des riques de désert,ification en Afrigue réalisée en intégrant à un SIc des modèles déveJ-oppés par Ia FAO (Organisation des Nations-Unies pour lrAlimentation et ItAgriculture), projet GRID (Global Resource Information Data Base) lancé en 1985 devant permettre, entre autres, des estimations globales des ressources forestières et de la dégradation des terres.
Etant donné leur ampleur, Ia plupart des applications citées ci-haut se sont faites sur du matériel plus puissant que les ordinateurs personnels.
Finalement, on peut citer drautres domaines qui commencent à utiliser des SIG mais sur lesquels la bibliographie est encore très r e s t r e i n t e :
s o c i o l o g i e ( d é r n o g r a p h i e ) ,
économie (secteur comrnercial) ,
- communication (information du public).
1 . 3 . 2 A p p l i c a t i o n s l i ê e s à l r e a u
D r a p r è s W a l l i s ( l - 9 8 8 ) , I ' u t i l i s a t i o n d e s S I c d a n s d e s d o m a i n e s r e l a t i f s à l r e a u e s t e n e x p a n s i o n . D ' a b o r d i n p l a n t é s a u n i v e a u des institutions de distribution de lreau, ces systèmes sont particulièrement i-ntéressants pour une planif ication i-ntégrée entre 1es divers paliers de gouvernement, drautant plus que les préoccupations croi-ssantes sur Itenvironnement se reflètent dans une législation plus sévère sur le contrôle de la qualité de cette ressource vitale. Wa1lis concl-ut que les i-névitables progrès
2 9
technologiques gue connaitront les SIG, idéalement appuyés par une recherche accrue dans les universités, ne feront quraccentuer cette tendance.
Dans ce qui va suivre, or srest intéressé plus spécialement aux applications qui avaient pour objectif drexplorer lrapport des f o n c t i o n s d r a n a l y s e d e s S I G .
l-) ModèIes hvdrol-oqisues
Les SIG ont principalement ét,é utilisés dans le calcul de p a r a m è t r e s h y d r o l o g i q u e s d e d i v e r s m o d è l e s d e p Iuie / ruissel lement/ débit .
Par exemple, 1a néthode d'évaluation du volume ruisselé suite à un évènement pluvieiux, développée par le Service de Conservation des Sols du Ministère de lrAgriculture des Etats-Unis (SCS-USDA) ' nécessite Ie calcul drun coefficient de ruissellement (numéro de courbe) qui dépend de caractéristiques variables dans lrespace
(texture du sol, utilisation du sol, conditions drhurnidité avant 1 r é v è n e m e n t p l u v i e u x ) . A f i n d r é t u d i e r l a v a r i a b i l i t é s p a t i a l e d u numéro de courbe dans un bassin du Sud de lrltalie de 410 kmz, M a n c i n i e t R o s s o ( 1 9 8 9 ) o n t u t i l i s é u n S I G à s t r u c t u r e m a t r i c i e l l e
( c h a q u e c e 1 I u 1 e c o u v r a i t u n e s u p e r f i c i e d e o . 0 4 k * 2 ) .
MAPHYD, ùD système de rnodélisation pluie/ruissellement à partir de cartes numériques, implanté sur micro-ordinateur, comprend des fonctions propres aux SIG. 11 a été appliqué à un bassin urbain d e 2 5 k m z e t a p e r m i s d e s c o m p a r a i s o n s d e m o d è l e s [ J o h n s o n , 1 9 8 9 ] . 2 l M o d è I e s d e c r u a l i t é d e I I e a u
Puisque les SIG permettent de représenter les variations spatiales, ce sont les problèrnes de pollution de source diffuse (et non ponctuelle) qui ont été favorisés. Pour 1a même raison, Vj-eux et a l . ( 1 9 8 9 ) n o t e q u e c e s o n t d e s m o d è l e s à p a r a m è t r e d i s t r i b u é q u i
ont avantage à être associés à ces systèmes. Jusqurà maintenant, la rnajorité des modèles utilisés en eonjonction avec un sIG srintéressaient aux eaux de surface et non souterraines. I1 faut remarquer que ce type de pollution concerne surtout les régions a g r i c o l e s .
Le phénomène dtêrosion des sols et son impact sur la qualité du cours dreau récepteur a donné lieu à la conception de nombreux modèles. Ltéquation universelle de perte de sol (USLE), gui est empirique, se prête bien à lrintégration avec un SIG. Rhew et Haro
{1"987) lrappliquent en utilisant le SfG matriciel pMAP (Professional Map Ànalysis Package) pour localiser les sources dtapport de sédiment sur un bassin en fdaho de 5 O0O ha (une c e l l u l e m a t r i c i e l l e c o u v r a n t 1 . 3 4 h a ) . A v e c u n e f o n c t i o n d e transfert, on peut alors déterminer les zones drimpact potentielles ainsi que leur accessibilité en y superposant le réseau routier. cully Hession et Shanholtz (1988) rapportent un projet similaire à plus grande échelle en Virginie.
Drautres modèles vont vouloir quantifj-er I'apport en éléments n u t r i t i f s ( a z o t e , p h o s p h o r e ) o u e n b a c t é r i e s . C r e s t s u r c e d e r n i e r point que se sont penchées Gillitand et Baxter-Potter (1987) à
I ' a i d e d r u n S I G m a t r i c i e l . L e b a s s i n é t u d i - é é t a i t u n p â t u r a g e q u i recevait donc des excréments dranimaux. Seuls 259 ha ont été retenus (une cellule matricelles couvrant a.2 ha) et le modèle comprenait un module drestimation de ruissellement avec Ia néthode S C S - U S D A , u D m o d u l e d r e s t i m a t i o n d e I r é r o s i o n u t i l i s a n t I t U S L E e t enfin un module d'estimation de la densité bactéri"enne dans le ruissellement, gui procède à partir drune fonction de transfert s i r n p l i f i é e .
En ce qui concerne le problème de dégradation de la qualité de l - r e a u d a n s } e s r é g i o n s a g r i c o l e s à é l e v a g e i n t e n s i f , l a s e u l e référence pertinente rnontre le développement drune cartograpbie des paranètres environnenentaux de 1rélevage du porc [Bouchard, 1986].
3 t
-Bien que lrauteur présente son projet conme la constitution drun système drinformation à référence spatiale sur ltêlevage de porc, lrobjet de son étude est centrée sur la slrnbolisation cartographique.
Finalement, conme le précise Arnold et Orlob (1989), les SIG ne sont que des outils et la validité des résultats obtenus dépend surtout de lranalyse du problème considéré et des choix de traitement de données.
CtrAPITRE 2: PROBIJEI{ATIQUE DE IJÀ POLIJUTION DES EAUX PÀR EPANDAGE DU LISIER DE PORC
rrl,e ministère de lrEnvironnement a demandé hier aux habitants de trois villes, ltÀssomption, ItEpiphanie et Repentigny, de faire b o u i l l i r l r e a u p e n d a n t v i n g t m i n u t e s a v a n t d e l a b o i r e t . . . 1 L a directive est une conséquence de la détérioration narquée de la q u a l i t é d e l r e a u , d a n s l e s t r o i s v i l l e s d e p u i s l u n d i s o i r , c e q u i semble dt de façon certaine au purin de porc épandu par les éleveurs instaltés le long de lrAchigan et que le dégel entraîne dans la rivière.rr Cet extrait drun article de La Presse du 18 mars
L 9 8 4 m e t e n é v i d e n c e l r e x i s t e n c e d r u n p r o b l è m e d e t a i l l e d e p o l t u t i o n d e l r e a u p a r é p a n d a g e d u l i s i e r d e p o r c . E n e f f e t , o D observe dans les régions à élevage porcin intensif une dégradation d e I a q u a l i t é d e l r e a u .
Ce chapitre vise donc à présenter les causes et conséquences de la pratique de I'épandage du lisier de porc, pour ensuite se pencher sur les règlements présentement en vigueur et sur les solutions envisageables. Cette dernière partie mettra en évidence ltintérêt des SIG dans la recherche de solution.
2 . 1 P r o b l è m e d e s u r p l u s d e l i s i e r
H i s t o r i q u e
D e p u i s l e m i l i e u d e s a n n é e s 7 0 , l e s e c t e u r a q r i c o l e d u Q u é b e c a connu une rnutation profonde dans les méthodes de production. Crest a i n s i q u r o n a a s s i s t é à 1 a n a i s s a n c e d r u n e v é r i t a b l e i n d u s t r i e d u porc caractérj-sée par:
3 3 . l a s p é c i a l i s a t i o n :
T o u t d r a b o r d , l t é l e v e u r s e d i f f é r e n c i e d u c u l t i v a t e u r . L ' é l e v a g e est alors dit rrhors solrr puisque Ia superficie de terre nécessaire est réduite à lrespace occupé par les installations, Ia nourriture des anirnaux étant achetée et non produite sur place. Une conséquence importante de ce phénornène est la rupture de complémentarité entre 1es productions animales et végétales.
D r u n a u t r e c ô t é , 1 a s p é c i a l i s a t i o n c o n c e r n e a u s s i I t e s p è c e produite: lréleveur se consacre à Ia production drun seul type dfanimal, êt même dans le cas du porc, oD peut distinguer:
* Ie producteur-naisseur (truies et porcelets) * le producteur-engraisseur.
. la concentration:
D r u n e p a r t , â u n i v e a u r é g i o n a l , I a c o n c e n t r a t i o n s r e s t e f f e c t u é e suivant 1a proximité des marchés de consonrmation. Quatre bassins d e d r a i n a g e ( F i g u r e 2 . L ) r e g r o u p e n t à e u x s e u l s 6 A e o d e l ' é l e v a g e p o r c i n [ B o u c h a r d e t a 1 . , 1 - 9 8 7 ] :
bassin de la rivière Yamaska bassin de la rivière Chaudière
bassin de la rivière LrAssornption i 9eo bassin de la rivière Saint-François z 7eo
Drautre part, oD a assisté à une concentration au niveau des fermes elle-mêmes: diminution du nombre de fermes avec augimentation du n o m b r e d e t ê t e s p a r f e r m e , o n p a r l e a l o r s d ' é l e v a g e i n t e n s i f .
Le Tableau 2.1- résume en chiffres cette évolution de la structure d e l t é l e v a g e p o r c i n e n t r e l e s a n n é e s 5 0 e t l e s a n n é e s 8 0 .
I1 faut noter en particulier lraugTmentation de 2 886 Z de la quantité de déjections produites par ferme; étant donné la concentration des fermes, leur nombre a effectivement diminué de 90 Z, cela signi-f ie une augTmentation considérabl,e de 1a quantité de lisier de porc par unité de surface.
: 3 0 â z L 7 Z
F i g u r e 2 . L z z o n e s d e c o n c e n t r a t i o n p o r c i n e a u Québec
f ton. DE coNcENTRATIoN DEs ELEvAGEs
100 km ( 1 ) C a n t o n s - d e - [ r E s t ( Y a m a s k a , S t - F r a n ç o i s ) (2) Région de ta Beauce (Chaudi ère) (3) Nord de Montréat ( L ' A s s o m p t i o n )
1 9 5 1 - t _ 9 s 5 1 9 6 1 - 1 9 6 5 L 9 7 L - t 9 7 5 1 9 8 r - - 1 9 8 2 Variation entre L956-L982 Nombre de têtes par an
( x l o o o )
1 6 0 5 1 8 1 0 2 337 5 t L 2+ 2L9 z
3 5 l a b l e a u 2 . L 2 E v o l u t i o n d e l r é l e v a g e p o r c i n e n t r e 1 9 5 1 e t 1 9 8 2 1 9 5 1 - r - 9 5 5 1 9 6 l _ - L 9 6 5 L971-1,97 5 1 _ 9 8 0 - l - 9 8 1 _ Part des p o r c s ( * ) s 1 - 5 5 I e r - g z I D é j e c t i o n s porcines ( x 1 0 0 0 r n 3 ) 1 6 9 8 r _ 8 8 9 2 4 0 L 5 2537 z
2 3 2 (*) déjections porcines par rapport au total des déjections ducheptel québecois 1 9 5 1 _ - 1 9 5 5 l - 9 8 t_ - r - 9 8 2 Variation Nombre de fermes 7 8 4 2 2 7 9 9 3 9 0 2 Déj ections par ferme_ p a r a n ( n " ) 2 2 657 + 2 8 8 6 2 1 9 5 1 1 9 6 1 L 9 7 L r _ 9 8 1 Variation entre 1 9 5 1 _ t _ 9 8 1
-Nombre de
têtes
par ferme
L 2 . 5 L 9 . 2 7 9 . 4 4 3 0 . 0 + 3 3 4 0 2 I S o u r c e : B o u c h a r d e t a ] . ( 1 9 8 7 ) lValeur du lisier
Composition
La composition du lisier de porc brut varie en fonction: . d e l a q r o s s e u r e t d e l r â g e d e l r a n i m a l
. de la ration alimentaire; celle-ci comprend en généraI: hydrates de carbone (sucres, amidons, cel1ulosês), protéines,
graisses,
macronutriments
(azote,
p h o s p h o r e , p o t a s s i u m ) , micronutrirnents et additifs alimentaires (antibiotiques, cuivre, arsenic, qrès et sables). Une part relativement importante de ces éIérnents se retrouve dans les déjections porcines.Par la suite, le mode de manutention peut affecter de façon significative les caractéristiques du lisier: présence de litière
(dans la partie mise-bas drune porcherie de maternité) et de déchets de nourriture, ajout de désinfectants, effet de dilution dû aux eaux de lavage.
Le Tableau 2.2 permet dravoir une idée approximative de 1a proportion des divers constituants du lisier.
ouantité produite
De même que pour Ia composition, la quantité de lisier produite par animal est variable.
Dans le but de calculer le volume drentreposage journalier à prévoir, 1e Ministère de lrEnvironnement du Québec (MEN/IQ) considère Ies chiffres suivants:
- pour une cuve permettant un entreposage de 2OO jours: 8 . l - l i t r e s / p o r c / j o u r 2 3 . 5 l i t r e s / t r u i e / j o u r - pour une cuve permettant un entreposage de 3oO jours:
6 . 9 5 l i t r e s / p o r e / j o u r 2 0 . L 5 l i t r e s / t r u i e / j o u r I M A P A Q , 1 9 8 9 ] .
V a l e u r a q r i c o l e
T r a d i t i o n n e l l e r n e n t , l e l i s i e r é t a i t u t i l i s é p o u r r e d o n n e r à l a t e r r e q u e c u l t i v a i t 1 ' é l e v e u r l e s é l é m e n t s n u t r i t i - f s a s s i - m i l é s p a r
