Représentation, acquisition des données spatiales

Le géoréférencement

Dans la plupart des projets SIG, on procède tout d'abord à un découpage géographique de l'espace, qui délimite la zone d'étude. La première étape est de géoréférencer cet espace, c'est à dire le délimiter précisément par des coordonnées cartographiques (ou géographiques). C'est cette conformité qui permettra de superposer des plans de diverses natures. Pour assurer cette superposition, les différentes couches d'informations géographiques doivent avoir le même système de projection.

Les système de projection
La Terre est un géoïde (en prenant le niveau moyen des mers), c'est à dire une sphère irrégulière, pour la représenter, il faut donc trouver un modèle mathématique qui corresponde le mieux à la surface topographique de la Terre. La surface utilisée est donc un ellipsoïde (dit de révolution), un volume géométrique régulier proche du géoïde.
Les Ellipsoïdes de référence sont celui de Newton au 17e, puis de Clarke dès 1880 et de Hayford depuis 1924.
Afin de représenter cet ellipsoïde sur un plan, on utilise différents systèmes de projections :

• conforme de Mercator : conserve les angles mais altère les surfaces (cartes militaires, de navigation...)
• équivalente de Lambert : conserve les surfaces mais altères les angles (cartes politiques, démographiques...)
• aphylactique qui altère les angles et les surfaces

Pour éviter des déformations trop importantes, on a partagé la France en 4 zones qui ont toutes le même méridien d'origine (Paris), mais qui diffèrent par leur parallèle d'origine, selon la projection de Lambert.

Une fois la zone d'étude délimitée, celle-ci va subir un second découpage, dit découpage vertical ou thématique, dont le résultat est un ensemble de couches superposables, appelées aussi couvertures ou plans.

Il existe deux modes de représentation des données spatiales.

Le mode vecteur

Ce mode est une représentation géométrique sous forme :

• de points ("ponctuels") : forage, points géodésiques...
• de lignes ("linéaires") : routes, rivières...
• de surfaces ("polygones") : parcelles, communes...

Selon l'échelle d'analyse, un fleuve pourra être une ligne ou bien un polygone comme une ville pourrait être un point ou un polygone...

Afin de reproduire sous forme vectorielle des données sur support imprimé, il est nécessaire de les numériser : les points, lignes et polygones seront convertis en coordonnées (x, y) à l'écran de l'ordinateur.
A ce titre, on s'appuie sur une série de points repères dits amers dont on connait les coordonnées géographiques que l'on précisera lors du recalage des couches ainsi obtenues. Il exite deux moyens :

1. directement sur l'écran à partir d'un fond de carte ou d'une photo scannée = vectorisation ou numérisation par photo-interprétation. On vectorise en repassant sur les lignes continues.
2. sur une table à digitaliser ou à numériser, c'est la digitalisation qui peut se faire directement à partir du logiciel SIG ou par un logiciel de dessin (Autocad). Dans ce dernier cas, on exportera le document dans le SIG (format DXF sur Autocad).

Le vecteur s'organise selon deux méthodes :

1. la structure filaire ou dite "spaghetti" : les figurés géométriques de base sont enregistrés indépendamment les uns des autres
2. la structure topologique où les relations spatiales entres les classes d'entités sont explicites (voir suite : la topologie)

Avantages du vecteur :

• donne une représentation très conforme à la réalité
• la localisation et les dimensions des objets sont calculés avec précision
• on peut individualiser les objets, donc leur attacher des attributs
• le poids du fichier est réduit.

Le mode raster

Ce mode correspond à une division régulière de l'espace sous forme de cellules ou mailles généralement carrées appelées pixels, qui définissent la précision minimale de la structure. Les pixels sont par exemple, les centaines de milliers de points lumineux et colorés qui composent votre écran d'ordinateur.
Le mode raster s'applique aux traitements d'images (satellitaires, photos aériennes).
On appelle résolution la taille du pixel : (un pixel équivaut à x mètres sur le terrain)

• image SPOT : résolution de 10 m (mode panchromatique = noir et blanc) ou 20 m (mode multispectral).
• image LANDSAT : 30 m.
• MNT (Modèle Numérique de Terrain) : 50 m (carrés de 50 m à l'intérieur desquels on choisit 8 points dont on calcule l'altitude moyenne) ou 80 m (BDALTI de l'IGN), mais parfois beaucoup plus précis : 50 cm à Marseille ou HK (Sté ISTAR à Sophia-Antipolis)

L'insertion d'une couche raster dans le SIG se fait par scannérisation. La précision du document scanné (carte ou image) dépend de son échelle et de la résolution du scanner, exprimée en dpi (dots per inches) ou ppp (pixels par pouce), sachant que 1 pouce = 2,54 cm.
Prenons l'exemple de la scannerisation d'une carte ou photo aérienne au 1/30 000 :

• pour une résolution de 100 dpi -> 100 pixels/2,54 cm -> 1 pixel = 2,54/100 cm, or 1 cm = 300 m -> 1 pixel = (2,54/100) x 300 = 7,62 m
• pour une résolution de 400 dpi -> 400 pixels/2,54 cm -> 1 pixel = 2,54/400 cm, or 1 cm = 300 m -> 1 pixel = (2,54/400) x 300 = 1,905 m

Pour scanner une carte, il n'est pas nécessaire d'avoir une grande précision, 250 dpi suffisent.

Avantages du raster :

• facilité d'utilisation : données sont sous forme de tableau. Par rapport au mode vecteur, la dimension thématique est donnée par des valeurs numériques de la grille et la dimension spatiale est déduite par la position relative du pixel dans la grille.
• le croisement des données est facile à réaliser : toutes les grandeurs sont ramenées à la même unité de base (le pixel).
• il se prête bien à certains types de traitements numériques car chaque pixel contient une valeur numérique (ex : classification supervisée). Cette valeur est stockée dans un canal (raster monocanal) ou plusieurs canaux (raster multi-canal), chacun d'eux représentant une info distincte. Le canal est au raster ce que l'attribut est au vecteur.

les canaux ont une certaine profondeur, exprimée en bits :

• un canal de 1 bit est dit binaire car il ne peut prendre seulement que deux valeurs de pixels : 0 ou 1 comme une image en noir et blanc
• un canal de 8 bits autorise jusqu'à 256 (2^8) valeurs différentes. Ex : SPOT panchromatique (256 niveaux de gris) ou images 256 couleurs
• canal de 16 bits autorisent 65 536 valeurs (2^16). Ex : MNT quand les altitudes > 255 m
• canal maximum de 24 bits avec 16,7 (2^24) millions de couleurs possibles on parle de couleurs réelles ou vraies. Ex : images couleurs (SPOT multispectral)

Nous avons vu qu'il était possible de convertir les rasters en vecteurs par exemple, après avoir scanné une image, mais l'inverse est aussi possible et s'appelle la rasterisation. Ex. : création d'un MNT à partir d'une carte topographique.

Inconvénients du raster :

• fichier lourd en mémoire
• manque de précision
• qualité médiocre des documents à l'impression (phénomène d'aliasing ou marches d'escalier)
• pas d'individualisation des objets.