Cartographie
Les Systèmes d’Information Géographiques ou SIG
Les Systèmes d’information géographiques (SIG), plus connus sous leur nom anglais de «Geographic Information Systems » ou (GIS) : en entendant ces noms, on se dit que le concept qui se cache derrière ne peut être que très scientifique, ou très barbant. C’est ce que nous nous disions jusqu’à notre arrivée dans la vallée du Jourdain où nous avons constaté avec effarement que des enfants utilisaient ces technologies que nous croyions réservées aux scientifiques de la NASA… Impossible de rester ignorants face à cela.
En réalité, les SIG ont bien plus d’applications dans la vie courante que ce que nous croyons. Vous utilisez un GPS pour vous rendre à vos RDV, cherchez vos trajets de vacance sur Google Maps ou surfez sur Google Earth ? Donc vous savez à quoi ressemble une carte SIG ! Ce que j’ai découvert en lisant des articles sur le sujet est que les SIG sont partout. C’est un outil aux applications illimités et aux opportunités de développement sans limites. On peut faire des choses incroyables avec : visualiser les impacts du changement climatique sur une région, mesurer les conséquences d’une inondation, et même calculer à quelle période le riz sera à maturité !
DEFINITION
L’initiative lancée par l’ONG Les Amis de la Terre (Friends of the Earth Middle East, FoEME) dans la vallée du Jourdain, appelée Systèmes d’information géographiques dans les communautés (CGIS), prouve bien que les SIG sont accessibles à tous. L’ONG a permis à des enfants de communautés israéliennes, palestiniennes et jordaniennes localisées de chaque côté des frontières d’identifier les menaces qui pesaient sur l’environnement dans leurs communautés ainsi que leurs conséquences sur les communautés voisines. En dressant une carte de leurs régions, ils ont ainsi pu mettre en évidence, par exemple, des contaminations de l’eau par déversement des eaux usées industrielles qui avaient lieu de l’autre côté de la frontière.
Exemple de carte réalisée par les enfants dans la communauté d’Eshkol, en Israël :
http://www.foeme.org/docs/GIS_Eshkol_map.jpg
Le SIG, qui appartient au domaine des sciences de l’information géographique, est un outil informatique qui permet d’associer des données géographiques avec des informations sur ces données. Au lieu d’avoir une simple carte sous les yeux, par exemple, on pourra savoir que le champ qui est à notre droite appartient à Mr Dupont, qu’il y cultive du maïs, avec un rendement de tant de kg par hectare. Les applications SIG sont donc des outils qui permettent à la fois aux utilisateurs de poser des questions interactives (A qui appartient ce champ ?), d’analyser l’information spatiale, d’éditer les données, les cartes et les résultats de ces opérations.
Le rendu de ces outils informatiques est donc une représentation réaliste de l’environnement en 2D, ou parfois en 3D. Il peut ressembler, par exemple, à une photo prise de satellite, une carte Google Earth ou un shéma. Mais cette représentation est très précise puisqu’elle se base sur des primitives géométriques (points, vecteurs, polygones, …) enregistrées par l’utilisateur et auxquelles sont associées des informations attributaires telles que la nature (route, voie ferrée, forêt, etc.) ou toute autre information contextuelle (nombre d’habitants, type ou superficie d’une commune par ex.).
Si vous réalisez une carte SIG de votre jardin, par exemple, vous pourrez dessiner les contours de vos parterres grâce à des lignes et les plants grâce à des points. Vous pourrez ensuite associer aux points le nom de la plante, ainsi qu’un grand nombre d’autres données, par exemple sa période de floraison, la quantité d’eau nécessaire, la date de repiquage, etc. Vous pourrez représenter la pente de votre jardin, et, en mesurant la pluviométrie, simuler le ruissellement. Bien sûr, rares sont les personnes, hormis les fous de l’informatique, qui iront faire cela dans leur jardin. Mais à l’échelle d’une exploitation agricole par exemple, ou d’un bassin hydrographique, cette représentation systémique permet de prendre en compte un grand nombre de paramètres et de gérer l’espace en conséquence.
EVOLUTION HISTORIQUE
Les SIG ne sont pas nécessairement des logiciels, ils sont plus la technique qui associe une représentation spatiale avec des données attenantes. En ce sens, on peut remonter aussi loin que la préhistoire puisque les dessins sur les grottes de Lascaux, par exemple, qui représentent des animaux et leurs migrations ou les activités de chasse,
correspondent à cette définition. Cependant, la première personne à avoir véritablement utilisé les SIG comme outil, et qui est souvent reconnue comme leur précurseur, est le docteur anglais John Snow en 1854. Pendant une épidémie courante de choléra dans le quartier de Soho, il représenta sur une carte la localisation des malades et l’endroit où ils puisaient leur eau. Il put ainsi déterminer quel puit était à la source de l’épidémie.
Dans les décennies qui suivirent, l’évolution des SIG fut rythmée principalement par les avancées technologiques (Maguire et al., 1991). Dès la fin des années 1950 et jusqu’au milieu des années 1970, les premières cartographies automatiques apparurent grâce aux découvertes informatiques, et encouragées par la prise de conscience environnementale.
En 1962, le premier véritable SIG opérationnel vit le jour à Ottawa, au Canada, sous l’égide du Dr. Roger Tomlinson et dans le but de detailer le cadastre du department de la forêt et du développement rural. Les premiers cartographie automatique/SIG se développèrent ensuite dans les années 70 et 80 au sein des organismes d’état.
Depuis les années 80, avec l’avènement des logiciels et la démocratisation des ordinateurs et de l’Internet, les SIG prirent leur envol et l’usage de l’information géographique fur banalisé (cartographie sur Internet, calcul d’itinéraires routiers, utilisation d’outils embarqués liés au GPS…).
COMMENT ÇA MARCHE?
L’utilisation d’un SIG commence par l’acquisition de données. C’est l’étape qui peut être réalisée par n’importe quel utilisateur Lambda, sans forcément avoir de connaissances informatiques particulières. Dans la vallée du Jourdain, par exemple, les enfants se sont rendus sur le terrain, ont constaté les différentes menaces qui pesaient sur l’environnement et ont marqué leurs coordonnées géographiques à l’aide d’un boîtier. Il faut ensuite rentrer ces données dans le logiciel et les traiter. Cette étape nécessite l’assistance d’un professionnel, tout comme l’étape suivante qui consiste à vérifier les informations et à corriger les erreurs topologiques, afin d’obtenir une carte la plus précise et correcte possible.
1. La collecte des données
Les données du SIG représentent des objets réels (routes, terrains, montagnes,…) à l’aide de données digitales. Les objets réels peuvent être de deux sortes :
- Les objets concrets (comme une maison par exemple)
- Les champs continus ou les surfaces (comme un champ ou une zone pluvieuse par exemple)
A ces données géographiques réelles, on associe ensuite des données attributaires, enregistrées dans des bases de données (adresse de la maison, nom du propriétaire, type de culture dans le champ,…)
Il y a ensuite deux méthodes qui permettent de stocker ces données dans le logiciel SIG :
La méthode Raster : elle permet une représentation digitale à travers une grille ou un maillage, qui peut être très précis, comme les pixels. Cette méthode reflète ainsi visuellement la réalité. Un exemple en est la photo aérienne.
La méthode Vector : elle représente les entités géographiques de façon plus schématique. Ce schéma est moins proche de la réalité mais il peut être plus précis et plus facile à utiliser.
Carte réalisée avec la méthode Vector. Elle utilise chacun des éléments vector : les points pour les puits, les lignes pour les rivières et un polygone pour le lac.
Les Données géographiques
Dans la méthode Vector, trois types d’entités géographiques peuvent être représentés :
le point (x,y) ou ponctuel,
la ligne ((x1,y1), …, (xn, yn)) ou linéaire,
le polygone ou surfacique.
Ces données fournissent des informations quant à la forme et à la localisation des objets ou phénomènes. Un système de coordonnées permet de référencer les objets dans l’espace et de positionner l’ensemble des objets les uns par rapport aux autres. Les objets sont généralement organisés en couches, chaque couche rassemblant l’ensemble des objets homogènes (bâtiments, rivières, voirie, parcelles, etc.). À l’heure actuelle, aucun système d’information géographique ne gère complètement les volumes. C’est pourquoi il est très difficile de créer une représentation SIG en 3D.
Il existe différentes possibilités pour rassembler ces données :
On peut les importer à partir de fichiers,
Les saisir par un opérateur,
Ces deux méthodes sont les plus courantes mais il en existe d’autres :
On peut scanner les données papier existantes afin de les digitaliser,
Il est possible également de les récolter grâce à des informations orales, en faisant par exemple un sondage et en associant les informations récoltées à des coordonnées géographiques. Sur le projet que nous étudions actuellement sur le Mékong par exemple, les quatre pays (Thailande, Laos, Vietnam, Cambodge) ne disposaient pas de suffisamment de budget pour former les pêcheurs au GIS et leur fournir des boîtiers de mesure. Pour étudier la migration de certaines espèces de poissons, les membres de l’équipe projet sont donc allés sur le terrain et ont demandé aux pêcheurs à différents niveaux de leur dire où ils avaient aperçu ces espèces. Cela a permis de dresser une carte des espèces migratoires,
Les données peuvent provenir de la Télédétection Spatiale (TS) ou « Remote Sensing ». C’est une technique permettant de fournir des informations provenant de capteurs qui ne sont pas en contact direct avec l’objet étudié, par exemple via des caméras ou des scanners attachés à des avions ou des satellites.
Il est possible également de partir d’une photo aérienne et de l’interpréter, en y ajoutant des informations : ceci est une maison, ceci un champ de maïs, ceci un cours d’eau,…
Ce ne sont que des exemples, et il existe de nombreuses autres méthodes de capture de données.
Les Données attributaires
Une fois ces données géographiques récoltées, on y associe des données dites attributaires, soit pour décrire l’objet, soit pour localiser des informations : nom d’une route, type d’un bâtiment localisé par son adresse, nombre d’habitants d’un immeuble, débit d’un cours d’eau, tension d’une ligne de transport d’énergie, type d’arbres dans un verger localisé par sa parcelle, etc. Les données attributaires sont reliées à la géométrie de l’objet. Cette relation entre Objets et Données attributaires est appelée géo-référencement.
Les Métadonnées
Afin que les cartes produites soient les plus correctes possibles, un troisième type de données est enfin associé aux deux précédents : les métadonnées. Ce sont des données sur les données qui renseignent sur les sources dont proviennent les informations (date d’acquisition, nom du propriétaire, méthodes d’acquisition…).
2. Traitement des données
Le traitement des données se fait à l’aide de logiciels sur un ordinateur. Les logiciels assurent les 6 fonctions suivantes (parfois regroupées sous le terme des ‘6A’):
• saisie des informations géographiques sous forme numérique (Acquisition)
• gestion de base de données (Archivage)
• manipulation et interrogation des données géographiques (Analyse)
• mise en forme et visualisation (Affichage)
• représentation du monde réel (Abstraction)
• prospective (Anticipation).
Cette étape ne peut être réalisée que par un spécialiste qui doit savoir traduire en requêtes informatiques les questions qu’on lui pose. Les architectes des systèmes d’information géographique se nomment des géomaticiens : géo(graphie) et (infor)matique.
3. Correction des erreurs et topologie
Un des avantages des systèmes d’information géographique est que les relations entre les objets peuvent être calculées et donner naissance à des points d’intersection. C’est la topologie. Ceci permet d’éviter la répétition d’objets superposés. Une parcelle bordant une route aura les mêmes sommets que ceux définis pour la route. Les relations topologiques entre les données peuvent être de différentes natures, dont les plus fréquentes sont l’adjacence (qu’est-ce qui est adjacent à quoi), la contenance (qu’est-ce qui est contenu dans quoi) et la proximité (distance entre deux choses).
Par exemple, sur la représentation d’une route, les lignes doivent être connectées avec les noeuds à une intersection. Pour les cartes scannées, les imperfections sur le document d’origine doivent être ôtées du document Raster final. Par exemple, un grain de poussière peut connecter deux lignes qui ne le sont pas à l’origine. C’est ce type d’erreurs qui doivent être corrigées à la dernière étape.
OPPORTUNITES ET LIMITES
Un systèmes d’information géographique doit répondre à cinq questions, quel que soit le domaine d’application :
• Où : où se situe le domaine d’étude et quelle est son étendue géographique ?
• Quoi : quels objets peut-on trouver sur l’espace étudié ?
• Comment : comment les objets sont-ils répartis dans l’espace étudié, et quelles sont leurs relations ? C’est l’analyse spatiale.
• Quand : quel est l’âge d’un objet ou d’un phénomène ? C’est l’analyse temporelle.
• Et si : que se passerait-il s’il se produisait tel événement ?
Considérant ces informations, un certain nombre de limites se posent :
- la pertinence de l’information : est-ce que telle ou telle donnée est vraiment nécessaire ?
- la richesse : le nombre de données attributaires associées à une SIG, bien que grand, n’est pas illimité,
- l’occurrence de mise à jour des bases de données,
- les restrictions d’accessibilité ainsi que les droits d’auteurs (copyright, vie privée, censure) : certains propriétaires terriens, par exemple, peuvent refuser d’établir une carte sur leur terrain, ou certaines informations peuvent volontairement ne pas être rendues publiques,
- un temps ou une puissance de calcul non disponibles : le traitement des données demande un ordinateur puissant et un temps important pour établir toutes les connexions,
- la lisibilité : pour ne pas trop charger la carte, les croisements d’informations ne peuvent guère dépasser 3 ou 4 variables par carte,
- le « temps », encore difficile à gérer et représenter dynamiquement.
Bon nombre de ces limites sont réduites considérablement chaque jour grâce aux recherches faites dans ce domaine et aux avancées technologiques. En parallèle, les opportunités représentées par l’usage des SIG, en particulier dans le domaine de l’environnement, sont illimitées. Dans le futur, les utilisateurs devraient obtenir une meilleure interopérabilité et accessibilité via le Web.
DOMAINES D’UTILISATION
Il en existe un millier:
• Analyses spatiales,
• Archéologie,
• Criminologie,
• Plans d’urgence pour les catastrophes naturelles,
• Aide à la décision, notamment pour l’aménagement du territoire, comme les transports urbains,
• Marketing : Définition de zone de chalandise, implantation de points de vente, aide au media planning notamment en affichage, optimisation de la distribution d’ISA (imprimés sans adresses).
• Immobilier : droits de construction, Plan local d’urbanisme,…
LES SIG ET L’EAU
Aujourd’hui où la communauté scientifique commence à reconnaître les conséquences environnementales des 
activités humaines, la technologie SIG devient un outil essentiel pour comprendre les changements globaux. De nombreuses cartes et informations satellitaires peuvent être combinées pour simuler les interactions de systèmes naturels complexes. Les SIG combinés à la théorie de l’incertitude par exemple peuvent permettre de modéliser l’impact côtier du changement climatique, les inondations, l’augmentation du niveau de la mer…
En d’autres termes, les SIG permettent de mieux connaitre les ressources naturelles, et particulièrement en eau, du point de vue quantitatif comme qualitatif. Les technologies inhérentes aux SIG permettent de traiter une grande quantité de données et ainsi de définir des solutions techniques, de planifier et de programmer les évolutions environnementales à moyen et à long-terme, d’informer et de sensibiliser. En termes de management de projets liés à l’eau, les SIG peuvent, par exemple :
• Localiser les zones humides qui ont besoin d’être protégées de la pollution,
• Modéliser un système de distribution en eau potable,
• Evaluer les systèmes hydrologiques de surface et souterrains,
• Réaliser la maintenance des réseaux,
• Aider à la décision pour les aménagements hydrauliques et la gestion de la ressource et des infrastructures,
• Prévoir les extensions du réseau face à la croissance démographique et urbaine,
• Identifier précisément le thalweg d’un cours d’eau,
• Modéliser la migration de poissons d’espèces rares,
• …
Parmi ces applications, une des plus utilisées à l’heure actuelle est la modélisation de réseaux. Mettons que toutes les usines situées près d’une zone humide relâchent accidentellement et simultanément des polluants chimiques dans la rivière. Combien de temps cela prendrait-il avant qu’une quantité importante de polluants ne pénètre la zone humide préservée ? Le SIG permet de simuler le déplacement des éléments chimiques dans le réseau linéaire en incluant des données comme la pente, la vitesse du flux, le diamètre des tuyaux,… et ainsi de prévoir les mesures nécessaires pour limiter ce risque d’accident.
EN SAVOIR PLUS
POUR SE TENIR INFORME: The Association of Geographic Information Laboratories for Europe (AGILE). http://www.agile-online.org/
POUR ESSAYER : « Geographic Information System (GIS) Educational website » — Site éducationnel avec des leçons en PDF et des vidéos pour accompagner un logiciel SOG en démonstration gratuite.
http://www.ccdmd.qc.ca/en/gis/before.html
SIG ET EAU : « Système d’information géographique et gestion durable de l’eau » (Français & Anglais), 2003. Un PDF intéressant avec des exemples concrets de gestion de l’eau grâce aux SIG en France et dans le monde
http://www.isted.com/pole-ville/sig/sig_global.pdf
PROJET TERRAIN : A propos du projet “Community Geographic Information System (CGIS).” de FoEME
http://www.foeme.org/projects.php?ind=154
English Translation-(Robot)
