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OATAO is an open access repository that collects the work of Toulouse researchers and makes it freely available over the web where possible. This is an author-deposited version published in : http://oatao.univ-toulouse.fr/

Eprints ID : 16296

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URL: http://prodinra.inra.fr/record/279678 To cite this version : Bernier, Sylvie and Duthoit, Sylvie and Ladet, Sylvie and Baudet, Denis Les concepts de base des Systèmes d"Information Géographique (SIG) : les données et les fonctions générales. (2014) Cahier des Techniques de l"INRA (N° Spécial). pp. 19-27. ISSN 0762-7339 Any correspondence concerning this service should be sent to the repository

administrator: staff-oatao@listes-diff.inp-toulouse.fr brought to you by COREView metadata, citation and similar papers at core.ac.ukprovided by Open Archive Toulouse Archive Ouverte

1 Institut de Développement de la Géomatique (IDGEO), 42,Avenue du Général de Croutte, F-31100 Toulouse, France ; sylvie.bernier@idgeo.fr

2 UMR 1201 DYNAFOR, Ecole d"Ing

nieurs de Purpan , 75 Voie du TOEC, BP57611, F-31076 Toulouse cedex 3, France

3 UMR 1201 DYNAFOR, INRA, 24 Chemin de Borde Rouge-Auzeville, CS 52627, F-31326 Castanet-Tolosan cedex, France

4UMR 1248AGIR, INRA, 24 Chemin de Borde Rouge-Auzeville, CS 52627, 31326 F-Castanet-Tolosan cedex, France

Lesconceptsdebase

Sylvie Bernier

1, SylvieDuthoit2, Sylvie Ladet3, Denis Baudet4

Résumé.La géomatique regroupe l"ensemble des outils et méthodes permettant d"acquérir, de représenter,

d"analyseretd"int largementd velopp eauseindesUnit eparlesUnit s exp rimentales de l"INRA, notamment par l"utilisation des systèmes d"information g ographique (SIG). Dans cet article, nous revenons sur les bases n cessaires pour comprendre et utiliser un SIG. Un SIG permet de visualiser

et d"analyser des données géographiques de deux formats principaux : le format raster (images satellites,

photographiesa riennes,cartesscann r el en objets graphiques auxquels sont reli es des informations descriptives plus ou moins complexes.A n que toutes ces donn es soient superposables pourêtre analysées ensemble, elles doivent apparteniràun système de coordonn es ; c"est un système de r f rence permettant d"exprimer la position d"un objet dans ses deux ou trois dimensions. Toutes les donn es g ographiques peuventêtre regroupées en base des données spatialisées esutilis es,structuredes donn es descriptives, source, date de cr ation, etc.). Les fonctionnalit s des SIG permettant l"exploitation des

d"expérimentation...) sont nombreuses. Les principales sont présentéesàtravers des exemples issus de

probl matiquesrencontr esàl"INRAetsurlelogicielsSIGQuantumGis(QGis :logiciellibreetgratuit).L"utilisation

des SIG ne serait pas optimisée sans une bonne qualitédes données de référence. Nous dressons ainsi un

panoramadesdonn esg ographiquesdesgrandsproducteursdedonn esfran ais,accessiblesgratuitementou

àfaible coût au monde de la recherche publique depuis ces dernières années. La politique de l"Europe et de la

Franceestded

velopperlepartagedel"informationg sur mobiles et li

éau GPS. L"ensemble de ceséléments permet d"envisager une facilitéd"accès et de partageà

l"information spatialis e que l"on peutégalement mettre en placeàl"INRA.

Mots cl

s :géomatique, fonctionnalités des SIG, couches, raster/vecteur, système de projection, données

g ographiques

Introduction

Letermeg

des outils et m thodes permettant d"acqu rir, de repr senter, d"analyser et d"int grer les informationsàréférence spatiale issues de sources diverses : images satellitales, photographies a riennes ou issues de drones, donn es

cadastrales, données topographiques, relevés effectués sur le terrain ou issus d"observations sur des sites

expérimentaux...). Cette information géographique est exploitéeàl"aide de l"outil informatique système

d"informations g ographiques (SIG) qui permet de constituer des bases de donn es spatialis es (Collet, 2005).

L"utilisationdesSIG,d

j dans une très grande vari t éd"applications (agriculture,écologie, environnement, aménagement...) notamment gr

ceàl"accessibilitéde plus en plus importante des données géographiques et des logiciels (facilitéd"accès aux

donn es et co t d"utilisation des logiciels) .

Dans cet article nous allons revenir sur des concepts clés pour une utilisation optimale des SIG. Les fonctionnalités

des SIG permettant l"exploitation des données géolocalisées seront présentéesàtravers des exemples issus de

problématiquesrencontréesàl"INRA,ettraitésavecleslogicielSIG :QuantumGis(QGis,http://www.qgis.org/fr/site/),

5 Par ces citations, nous faisons référenceàd"autres articles de ce numéro spécial

logiciel libre et open source, et le logiciel ArcGis for Desktop (http://www.esrifrance.fr/bureautique.aspx), logiciel

commercialéditépar ESRI, estégalement communément utiliséet des tarifs préférentiels sont accordés pour

l"achat de licences dans le cadre de travauxde recherche et d"enseignement.

Nous dresserons aussi un panorama des donn

es g ographiques des grands producteurs de donn es fran ais, accessibles gratuitement au monde de la recherche depuis ces dernières ann es. La politique de l"Europe et de la France est en effet de d velopper le partage de l"information g ographiqueàl"aide des nouvelles technologies sur Internet, sur des appareils mobiles en lien avec le mat riel GPS (Lahaye et Ladet ,2014 ; Lahaye et Ladet,

2014a ; Lahaye et Ladet, 2014b

5). L"ensemble de ceséléments permet d"envisager une facilitéd"accès et de

partage de l"information spatialis e que l"on peutégalement mettre en placeàl"INRA.

Les données dans un SIG :

o rganisation et formats de l"information géographique

Organisation des donn

esspatiales

suivants : bâtiments, réseau hydrographique, parcelles agricoles, image satellite représentant la zone d"intérêt

(Figure 1). L"information géographique contenue dans ces couches peut provenir de sources diverses ayant des

formatsdifférents,maisqu"unSIGpeutgérerensemble.Deuxformatspermettentdestockerlesdonnéesspatiales :

le format raster et le format vecteur. Donn es au format raster Les donn es raster correspondent aux images issues des satellites, des photographies a riennes, des images s

cannées (anciennes cartes papier) ouàdes données continues représentant des phénomènes tels que la

temp ographiquedansdescellulescontig es

depicture element). Chaque pixel possède une valeur qui traduit une couleur (photographies ou scan), ou une

énergieélectromagnétique captée dans un domaine de longueur d"ondeàpartir d"un satellite (Figure 1). Par

exemple les images du satellite SPOT5 peuvent proposer des images dans le domaine de longueur d"onde du

proche infrarouge qui permettent de bien diff rencier la v g tation active. Pour les donn es raster stockant des valeursth matiquescommel"altitude,latemp mais plut t de cellules.

Une des propri

t s des donn es raster qu"il est particulièrement important de conna tre est la r solution spatiale c"est- -dire la taille des pixels. Elle conditionne le niveau de d tail qu"il est possible de discerner sur une image. t ,culturesd"hiver,for tsdefeuillus,etc.)alorsqu"uneimage

àtrès haute résolution spatiale (autour de 1 m de résolution) permettra de distinguer?nement les haies, les rangs

de certaines cultures et m me les arbres de fa on individuelle. Les photographies a riennes propos es par l"IGN (BD ORTHO

®) d"une résolution spatiale de 50 cm sont une composante du référentielàgrandeéchelle (RGE®)

essonttrèsutilis unecarteth erdesdonn esauformatvecteur

àpartir d"images raster.

Figure 1.Photographie aérienne issue de la BD ORTHO®2010 de l"IGN au-dessus de l"Unit

éexpérimentale de l"INRAd"Auzeville.

Sur le zoom, les pixels qui caractérisent les images raster sont bien distinguables. Donn es au format vecteur

Chaque

couche au format vecteur est mod lisée sous forme d"une double composante (Figure 2).

3une composante graphique: chaque thème du territoire (réseau hydrographique, réseau routier, villes,

parcelles agricoles, etc.) est repr sent ésous forme d"une couche thématique au format vecteur. Par exemple, une couche repr sentant des parcelles agricoles contient un ensemble d"objets graphiques qui d nissent les

contours de chaque parcelle. Le type de forme qui représente en général une parcelle (et tous les objets

surfaciques) est un polygone, mais il est aussi possible de repr senter les objets g ographiques sous forme ponctuelle (points de pr lèvements, arbres, b timents ...) ou lin aire (r seau routier, r seau hydrographique, système d"irrigation, haie, ...). Les types de repr sentations graphiques (point/ligne/polygone) ne sont jamais m lang s dans une m me couche.

Les objets graphiques sont ainsi enregistrés sous forme de liste de sommets avec pour chacun leurs

coordonn es X,Y, dans un?chier"de forme»ou"shape»(par exemple .shp pour les couches au format

QGIS ouArcGIS).

3une composante descriptive dite attributaire:àchaque objet graphique d"une couche thématique sont

reliées des informations descriptives stockées dans une table attributaire. Pour une couche"parcelles

agricoles»,cesinformationspeuventêtreparexemple :l"identi?ant(uniqueparparcelle),lasurface,letypede

culture implant e, la quantit éd"intrants, la date de récolte, etc. L"ajout de champs dans la table attributaire ou leur modi cation se fait de fa on ais e. La table attributaire peutêtre stockée dans un simple tableur ou liéeà li es externe toutes les interventions (itin raires techniques, produits utilis s, temps d"intervention, ...) ou bien les mesuresetobservationseffectu erlemodèle g ographique de notre domaine exp rimental.

6Site IGN Lambert-93 : http://geodesie.ign.fr/ ?p=71&page=site_lambert93

Figure 2.Organisation en couches de l"information géographique utilisée

dans un système d"Information géographique. On distingue les deux principales composantes (graphique et attributaire) de

l"information g ographique au format vecteur.

Importance du système de coordonnées

A n que toutes les donn es provenant de sources diff rentes puissentêtre superposées et exploitées dans un

SIG, elles doivent apparteniràun système de coordonnées. Il existe deux types de systèmes de coordonnées

utilis s dans les SIG : • un système de coordonn es g ographiques. Un point est r f renc

éd"après ses valeurs de longitude et de

latitude qui correspondent aux angles mesur s depuis le centre de la Terre vers un point de surface ; ses coordonn es sont exprim es en degr s, minutes, secondes ; • un système de coordonn es projet es ou système de projection. Il existe diverses m thodes de projection repr sentant la surface sph rique de laTerre sur une surface de coordonn es cart sienne bidimensionnelle. sur leur param trage. Le choix du système de projection est conduit par l"usage qui sera fait de la carte mais

aussi de la position de la régionàcartographier sur le globe, chaque systèmeétant adapté àune zone

particulière afin d"éviter au maximum les déformations (Lahaye et al., 2014). Le système de repère

cartographique officiel utiliséen France métropole est le Lambert936; une foi appliquée, un repère

cartographiqueXlambert93etYLambert93estdé?nietutilisésurunplanàdeuxdimensions ;lescoordonnées

cartographiques (X, Y) d"un point sont alors exprimées en mètres et non plus en degrés comme dans le

système de coordonn es g ographiques.

Lorsque des données de source variée sont utilisées, elles sont souvent dans des systèmes de coordonnées

différents. Il faudra donc les transformer pour les rendre superposables. Les logiciels comme QGis ou ArcGIS

pour effectuer ces calculs lourds (citons le logiciel gratuit IGNmap : http://ignmap.ign.fr/).

La base de donnéesspatialisées

La base de donn

es(BdD) spatialisées est constituée de couches qui représentent l"information géographique

sous les trois modes de repr sentation graphique pr c demment pr sent s (point/ligne/polygone) et sous forme raster.

Dans une BdD spatialis

e, il est primordial de suivre les deux règles suivantes :

• dans une même couche, la cohérence topologique entre les différents objets géographiques doitêtre

respect e : par exemple, les contours de deux polygones"parcelles»adjacents ne doivent surtout pasêtre superpos s l"un sur l"autre, leur limite doitêtre unique et donc partager les mêmes sommets ;

• entre deux couches, la cohérence spatiale relative entre objets géographiques doitêtre respectée : les

desparcelles.Autreexemple :lesb timentsd"exploitationsontrepr sent sdansunecoucheetsontlocalis s dans une ou plusieurs parcelles cadastrales qui sont repr sent es dans une autre couche. Si la limite du b

timent partage une partie de la limite d"une parcelle, les sommets constituant ces deux limites communes

(sur ces deux couches diff rentes) doivent avoir les m mes coordonn es (X, Y). constitu e d"une in nit éde couches vecteurs sur un même territoire.

L"information g

ographique est d crite par son dictionnaire de donn es et ses m tadonn es. Le dictionnaire de

données fait l"inventaire des différents types de données utilisées ou la description de la structure des tables

lesm thodesutilis espourlesmesures,lesunit toute utilisation de cette base par quelqu"un n"ayant pas particip éau travail de conception de la BdD, mais aussi

pour faciliter une réutilisation ultérieure. La plupart des logiciels SIG offre des outils pour renseigner ces

m tadonn es.

Les principales fonctionnalitésdes SIG

unes des autres principales fonctionnalités des SIG sont décrites ci-dessous en prenant comme exemple le cas

de l"Unit

éexpérimentale grandes cultures d"Auzeville de l"INRA de Toulouse (alias UE0802), domaine composé

notamment de parcelles agricoles, de dispositifs exp rimentaux, de points de pr lèvement, de points d"irrigation

Figures3,4,5et6

ographiquesconstituantles diff rents thèmes sont repr sent s et localis s par rapportàune photographie aérienne datant de 2010. Repr sentation cartographique des donn es attributaires et mise en page : les analyses th matiques

des parcelles de l"UE0802 aétéeffectuée. La vidéo permet de visualiser lesétapes nécessairesàcette analyse

thématiqueetàsamiseenpage :audépart,touteslesparcellessontreprésentéesdelamêmecouleur.Enfonction

du type de culture renseign édans la table attributaire, une couleur différente est ensuite associéeàchaque type

de culture. La dernièreétape de mise en page permet de préparer une composition cartographique comprenant

légende, titre,échelle, source. Une fois l"édition de la carte terminée on pourra l"exporter au format JPEG ou PDF

par exemple. Figure 3.Capture d"écran de la vidéo (http://www.idgeo.fr/inra/demos/analyse_thematique_ mise_page.swf) illustrant l"analyse thématique et la mise en page effectuées sur les parcelles de l"UE0802 dans le SIG QGis. Requ tes attributaires : s électiondes objets géographiques en fonction de critères sur les donn es attributaires

LaFigure 4présente un exemple de résultat de requête attributaire où les parcelles sont sélectionnées

automatiquement en fonction de leur appartenanceàla culture de blétendre variété2 et apparaissent en jaune.

Unefoisquelesparcellessonts

lectionn es,d"autresop parcelles. La vid o associ e montre lesétapes nécessairesàcette requête attributaire. Figure 4.Capture d"écran de la vidéo (http://www.idgeo.fr/inra/demos/requete_attributaire.swf) illustrant une requ te attributaire effectu e sur les parcelles de l"UE0802 dans le SIG QGis. Requêtes spatiales : sélection des objets géographiques en fonction de leur localisation par rapportàd"autres objets graphiques (dans deux couches différentes)

LaFigure 5présente le résultat d"une requête spatiale (étapes visibles sur la vidéo) où seules les parcellesà

l"int rieur desquelles une mesure de rendement est disponible sont repr sent es en jaune. Figure 5.Capture d"écran de la vidéo (http://www.idgeo.fr/inra/demos/Requete_spatiale.swf) illustrant une requ te spatiale effectu e sur les parcelles de l"UE0802 dans QGis.

Analyse spatiale : cr

ationde zone tampon, croisement entre deux couches et calcul de super cie

zones réellement irriguées au sein des parcelles (en rose), et (2) de calculer les super?cies de ces zones.

Figure 6.Capture d"écran de la vidéo (http://www.idgeo.fr/inra/demos/Croisement.swf) illustrant le croisement

entre la couche parcelles de l"UE0802 et les zones arrosées autour des points d"eau dans QGis. donn es (donn es issues de GPS (Lahaye et al., 2014), images satellitales, photographies a riennes, donn es

de terrains géolocalisées, données descriptives, etc.) se fait de manière cohérente par une modélisation de

l"information en fonction de l"objectif de l"utilisation de la base de données spatiales. Le système de repère

cartographique dé?ni doit être commun entre les différentes composantes de la base de données a?n de rendre

possible leur superposition. Panel de quelques données géographiques disponibles gratuitement ouàfaible coût pour la Recherche publique

Revenons sur quelques donn

es externes souvent utilisées par les UE et UR de l"INRA:

•les données du RGE®(référentielàgrandeéchelle, http://professionnels.ign.fr/rge) fournies par l"IGN avec

notamment la BD PARCELLAIRE ®(information cadastrale numérique), la BD TOPO®(description des

éléments du paysage), RGE®ALTI (composante altimétrique du RGE®) et la BD ORTHO®(composante

orthophotographique). La BD ORTHO ®à50 cm de résolution est utilisable gratuitement pour tout usage

d"enseignement initial ou de recherche publiable et celleà5 m de résolution est maintenant utilisable

gratuitement quel que soit l"usage ;

fournissent des informations détaillées sur l"occupation du sol issues des déclarations politique agricole

commune (PAC) (Cantelaube et Carles, 2014) ;

•certaines données satellitaires fournies par SPOTImage avec notamment le programmeISISqui viseà

promouvoir l"utilisation de l"imagerie spatiale SPOT auprès de la communauté scienti?que en lui permettant

d"acqu rir ces donn es satellitairesàun tarif préférentiel (http://www.isis-cnes.fr/) ;

une infrastructure nationale de données satellitaires accessible gratuitement par la communauté scienti?que

et les acteurs publics. Il permet notamment d"assurer pendant 5 ann es l"acquisition et la miseàdisposition de couvertures satellitaires annuelles d" t , haute r solution de la France, et d"assurer la mise en r seau de

la communauté scienti?que et de la communauté des acteurs de la gestion autour de sa valorisation;

•données CORINE de l"Institut français de l"environnement concernant l"occupation du sol en Europe (http://

www.ifen.fr). La miseàjour de ces données pour 2012 sera accessible courant 2014.

Référ

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