Organisé en deux parties, ce cours présente les bases théoriques et pratiques des systèmes d’information géographique. - Il propose une introduction aux systèmes d’information géographique qui ne requiert pas de connaissances préalables en informatique - Il donne la possibilité d’acquérir rapidement les notions de base qui vous permettent de créer des bases de données spatiales et de fabriquer des cartes géographiques - Il s’agit d’un cours pratique qui repose sur l’utilisation de logiciels libres, notamment QGIS En somme, si vos études ou votre profession comprennent des activités liées à la gestion de territoires, à l’analyse d’objets distribués dans l’espace géographique (aménagement du territoire, biologie, santé publique, écologie, énergie, etc.), ce cours est fait pour vous! En suivant cette première partie du cours, vous explorerez les principes de base de la numérisation du territoire et du stockage des géodonnées. Vous apprendrez notamment à : - Caractériser des objets et/ou phénomènes spatiaux (modélisation du territoire) du point de vue de leur positionnement dans l’espace (systèmes de coordonnées et projections, relations spatiales) et en fonction de leur nature intrinsèque (mode objet ou vecteur vs. mode image ou raster), - Utiliser les diverses méthodes d’acquisition de données (mesure directe, géoréférencement d’images, digitalisation, source de données existantes, etc.) - Utiliser les divers modes de stockage des géodonnées – Fichiers simples et/ou bases de données relationnelles - Utiliser des outils de modélisation des données pour décrire et implémenter une base de données - Créer des requêtes dans le langage d’interrogation et de manipulation des données La seconde partie du cours portera sur les méthodes d'analyse spatiale et les techniques de représentation des géo-données. Vous apprendrez notamment à: - Analyser les propriétés spatiales de variables discrètes, par exemple en quantifiant l’autocorrélation spatiale - Travailler avec les variables continues (échantillonnage, construction de courbes d’isovaleurs, méthodes d’interpolation) - Utiliser les modèles numériques d'altitude et leurs dérivées (pente, orientation, etc.) - Utiliser les techniques de superposition de géodonnées et d'interaction entre elles - Produire des documents cartographiques selon les règles de la sémiologie graphique - Explorer d’autres formes de représentation spatiale (cartographie interactive sur internet, représentations 3D, etc.) La page https://www.facebook.com/moocsig fournit un forum interactif pour les participants à ce cours.
Acquisition de données primaires
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En provenance du cours de École Polytechnique Fédérale de Lausanne
Systèmes d’Information Géographique - Partie 1
121 notes
À partir de la leçon
Numérisation - Saisie et documentation des géodonnées
L’acquisition de données numériques fait appel à diverses techniques allant de la mesure directe pour les données primaires, à la vectorisation semi-automatisée d’objets spatiaux, en passant par le positionnement (ou géoréférencement) d’images numériques et la digitalisation d’objets. La semaine démarre par un cours portant sur les métadonnées, soit le processus et les règles de documentation d’un jeu de données, processus qui est essentiel à la pérennisation des données, et comprend, en guise d’intermède, un cas d’étude portant sur des SIG participatifs aux Sénégal et aux Seychelles.
Rencontrer les enseignants
Stéphane Joost
Laboratoire de systèmes d'information géographique
Marc Soutter
Laboratoire de Systèmes d'Information Géographique
Fernand Koffi KouaméProfesseur
Centre Universitaire de Recherche et d'Application en Télédétection (CURAT) - Université Félix HOUPHOUET-BOIGNY d'Abidjan-Cocody (Côte d'Ivoire)
Amadou Sall
Département de Géomatique - Centre de Suivi Ecologique (CSE), Sénégal
[MUSIQUE]
[MUSIQUE]
[MUSIQUE] Dans
la première partie de ce module, nous avons passé en revue les divers aspects
de la modélisation de l'espace géographique.
Dans la seconde partie, qui débute avec la présente leçon,
nous verrons les différentes manières d'acquérir de l'information pour
décrire et alimenter ce modèle de l'espace géographique.
Au cours de cette leçon, nous allons donc définir ce que sont les données primaires
et passer en revue diverses méthodes d'acquisition de ces données primaires.
Au terme de la leçon, vous devriez être en mesure de décrire ces méthodes et
vous aurez vu un peu plus en détail comment utiliser un récepteur GPS.
Dans cette leçon, nous allons donc commencer par revenir sur cette notion
de données primaires, sur la définition de ces données primaires.
Puis nous parlerons de l'acquisition des données de positionnement,
avec un petit interlude pour décrire l'utilisation d'un récepteur GPS.
Et finalement, nous parlerons un peu de l'acquisition de données thématiques.
[MUSIQUE] Nous avions vu dans une
précédente leçon consacrée au métadonnées que les différents types de données
peuvent se distinguer sur la base de leur origine, avec des données mesurées,
qui sont acquises par un instrument ou par une observation, des données dérivées
qui sont issues d'un calcul par la combinaison d'informations primaires,
et des données interprétées qui ne sont pas mesurables,
qui sont des estimations d'experts ou des opinions émises par un forum.
On voit donc bien que les données primaires concernent les
données mesurées soit par un instrument de mesure ou tirées d'une observation.
[MUSIQUE] [MUSIQUE]
Dans le cas de la latitude, il s'agit d'une mesure directe de l'angle formé par
une visée sur l'horizon et par une visée vers un point fixe de la voûte céleste.
Ce point fixe correspond à l'Étoile polaire dans l'hémisphère Nord
et à l'une des étoiles de la constellation de la Croix du Sud dans l'hémisphère Sud.
On voit sur la figure qui est ici à droite que cette visée sur l'Étoile Polaire
est en fait parallèle à l'axe de rotation de la terre et que l'angle formé entre
cette visée et la visée sur l'horizon correspond en fait à l'angle que forme
le parallèle de la latitude concernée avec l'Équateur.
Ce qui est par définition même, la latitude.
La latitude peut également être obtenue en mesurant la hauteur sur l'horizon
d'un astre dont la position est connue.
Ces positions sont décrites par des tables astronomiques ou éphémérides
qu'il faut avoir sous la main pour effectuer cette mesure.
La mesure de la longitude est beaucoup plus délicate en raison de la
rotation de la terre.
Cette mesure a constitué un des principaux défis de la navigation
maritime jusqu'au XVIIIe siècle, et c'est la raison pour laquelle les cartes
qui datent d'avant cette époque ont parfois des formes un peu biscornues.
En réalité, pour pouvoir faire cette mesure avec une certaine précision,
il a fallu attendre le développement de l'horlogerie et de disposer d'horloges
précises qui permettent de garder le temps d'un méridien d'origine,
afin de pouvoir estimer la longitude par la différence d'heure
avec ce méridien d'origine au midi solaire.
Les mesures astronomiques n'étant pas toujours très simples,
elles ont été complétées par des mesures terrestres, par triangulation, qui
comptent des mesures d'angles effectuées à l'aide d'un appareil appelé théodolite,
et des mesures de distances effectuées à l'aide de tachéomètres.
Ces derniers permettent de lire directement la distance sur une échelle
graduée à partir d'un intervalle de mesures définies dans la lunette
de l'appareil de visée.
Pour pouvoir utiliser ces méthodes de mesure terrestre,
il est nécessaire de disposer d'un réseau de points fixes,
points de triangulation, dont les coordonnées sont connues et ont été
établies et sont régulièrement vérifiées par des méthodes astronomiques.
Un tel réseau de points fixes planimétriques existe dans chaque pays,
avec dans le cas de la Suisse, un réseau de premier ordre,
qui ici dans la région de Lausanne est constitué d'une dizaine de points,
complété par un réseau de second ordre beaucoup plus dense.
Les méthodes de triangulation sont complétées par des méthodes de
nivellement, destinées à la détermination des altitudes par des mesures de niveaux.
L'équipement est constitué d'une lunette de visée posée sur un trépied
et d'une échelle graduée qu'un opérateur tient à une certaine distance.
Et les altitudes sont reportées de proche en proche
par une vision horizontale vers l'arrière et vers l'avant, qui permet ensuite
d'effectuer un calcul de compensation et d'obtenir l'altitude du point d'arrivée.
Dans ce cas également, il est important de pouvoir disposer d'un réseau de points
fixes auquel se raccrocher.
C'est pour cette raison que dans tous les pays et notamment en Suisse,
nous avons un réseau de points fixes altimétriques de premier ordre où l'on
devine le cheminement qui a été suivi dans le fond des vallées, et un réseau de
second ordre qui densifie l'information dans certaines régions particulières.
On voit sur ces deux figures que dans la région de Lausanne,
le réseau de points fixes altimétriques de premier ordre est un peu plus dense
que ne l'était le réseau des points fixes planimétriques de premier ordre, alors que
le réseau des points fixes altimétriques de second ordre est un petit peu
moins dense lui que le réseau des points fixes planimétriques de second ordre.
Les méthodes de mesure astronomiques et terrestres qui ont été
principalement utilisées jusqu'à il y a une vingtaine, une trentaine d'années,
sont de plus en plus souvent supplantées par les méthodes satellitaires, le GPS,
Global Positioning System, et le GPS différentiel, qui permettent
d'obtenir les coordonnées d'un point, donc le positionnement à partir des signaux
émis par une série de satellites qui sont spécifiquement dédiés à cette mesure.
Le principe de la mesure est relativement simple, puisqu'il s'agit
d'interpréter les signaux provenant d'une série de satellites, éventuellement avec
l'appui d'une station de référence au sol dans le cas d'un système différentiel.
Cette mesure effectuée à l'aide de récepteurs disponibles dans le commerce
va permettre de déterminer des points ou des trajectoires.
[MUSIQUE] [MUSIQUE]
Nous allons donc effectuer une démonstration de l'utilisation
de ces méthodes de positionnement satellitaire et c'est pour cette raison
que j'ai le plaisir d'accueillir dans cette leçon un invité surprise.
> Bonjour, je m'appelle Margault et je vais aider Marc pour cette leçon.
> Alors je te confie ce précieux instrument qui est un récepteur satellite.
Et nous allons pouvoir aller faire ces mesures.
> Merci.
> L'écran d'accueil de l'appareil se présente sous la forme suivante, avec menu
graphique dans lequel on peut se balader à l'aide du bouton situé en haut à droite.
En descendant de quelques cases,
on peut accéder à la fonction de réglage des paramètres de l'appareil.
Et dans ces paramètres, les paramètres du systèmes
qui permettent de constater que le système du satellite GPS est actif
de même que le système de navigation par recouvrement géostationnaire, WAAS,
pour les États-Unis et EGNOS pour l'Union européenne.
Si l'on remonte d'un cran et que l'on descend jusqu'aux
paramètres qui définissent le format du positionnement,
on peut constater que le système de projection suisse est le système actif.
Avant d'effectuer la mesure proprement dite,
il faut s'assurer que la réception du signal des satellites est bonne.
Et pour cela descendre au menu Satellite, qui permet de constater qu'un grand
nombre de satellites sont disponibles mais que seuls deux ou trois d'entre eux
fournissent un signal relativement perceptible,
donc un signal au total assez faible, ce qui s'explique par le fait que cette
image a été prise à l'intérieur et non pas à l'extérieur.
Pour effectuer la mesure, deux possibilités.
Tout d'abord, le menu Waypoint, qui permet de prendre la mesure d'un point.
On voit que ce point est caractérisé par ses coordonnées géographiques dans le
système de projection suisse et par son altitude.
La détermination des coordonnées d'un point peut également s'effectuer en
faisant une moyenne d'un grand nombre de mesures.
Il faut pour cela prendre le menu ad hoc,
puis créer un nouveau point et ensuite attendre pendant quelque temps que
les mesures se fassent et que l'intervalle de confiance devienne suffisamment bon.
En général, la durée de la mesure est de l'ordre de une à deux minutes.
De retour au bureau, nous pouvons brancher le récepteur GPS à l'ordinateur
et récupérer les points de mesure.
Dans ce projet QGIS, nous avons une carte synoptique
et les photographies aériennes superposées de la région de Lausanne.
Nous enlevons la carte synoptique et allons zoomer sur la zone de l'école
polytechnique, et plus précisément sur le secteur du Rolex Learning Center,
autour duquel nous avons été effectuer nos mesures.
On décide d'ajouter une couche de type vectoriel et on voit que dans
l'arborescence des fichiers, on trouve le récepteur GPS,
iii, et dans ce récepteur les fichiers
GPX et en particulier le fichier des points mesurés ce jour du 12 novembre.
Parmi ces points, on importe les points isolés et
les voilà qui apparaissent à peu près là où nous avons été prendre les mesures.
Et on constate que les,
notamment les angles des bâtiments ont été assez bien représentés.
En allant regarder de plus près, on voit que les deux points de mesures,
une fois mesures simples et une fois mesures moyennées,
sont assez proches les uns des autres.
Si l'on se déplace maintenant vers l'entrée du parking souterrain où nous
avons essayé de faire des mesures plus précises que les angles des bâtiments,
on voit que les deux points de mesures, alors,
on ajoute une étiquette avec le nom du point.
Donc les points 12 et 14 sont des mesures simples, 13 et 15 des
mesures moyennées et les croix rouges représentent les points que nous visions.
Et on voit que l'erreur de mesure est un peu plus faible dans le
cas des points moyennés.
[MUSIQUE]
[MUSIQUE] Après ce petit intermède,
retour aux méthodes d'acquisition de données de positionnement avec
les mesures par laser ou lidar pour light detection and ranging.
Le principe de la mesure est assez simple puisqu'on a un
laser qui émet un faisceau lumineux.
Ce faisceau entre en interaction avec les obstacles qu'il rencontre et envoie
un signal en retour qui est lui capté par un système optique filtré, détecté et
qui permet en fait de positionner les points interceptés dans l'espace.
L'application de ce principe de mesure est possible
dans des systèmes embarqués à bord d'avions.
On parle alors de lidar aérien avec l'acquisition de réseaux de points
tridimensionnels qui permettent de reconstituer
après coup la nature de ce qui a été observé.
L'image de droite ici illustre l'effet de la densité de points
puisqu'elle est multipliée par cinq entre la première image et les deux
suivantes qui sont deux variantes de colorisation d'un même nuage de points.
Les données produites par mesures lidar, ici dans le cas de la région de
Saint-Moritz aux Grisons incluent en fait la couverture du sol,
donc les bâtiments et les arbres, et ces données de base,
ces données brutes doivent être traitées au moyen d'algorithmes particuliers qui
permettent d'effacer cette information pour obtenir véritablement
le modèle numérique du terrain.
Le lidar peut être également utilisé pour des mesures terrestres avec ici
un exemple d'un relevé d'un carrefour dans la ville de Genève
où l'on extrait en fait à partir de la mesure lidar terrestre un
nuage de points qui permet de représenter le
carrefour tel qu'il est et ensuite d'aller se promener dans ce carrefour et
notamment ici à l'intérieur même de l'arbre qui a été mesuré.
[MUSIQUE] Les
données thématiques peuvent être acquises au départ par des mesures physiques
ponctuelles de diverses natures comme par exemple,
le débit des cours d'eau ici donc l'hydrométrie, les charges de trafic pour
décrire un réseau routier, la météorologie avec des stations de mesure climatique
qui permettent par interpolation d'établir des cartes de pluviométrie annuelle.
Les mesures physiques ponctuelles sont complétées par de l'imagerie aérienne et
satellitaire qui se caractérise par le type de vecteur utilisé, des drones,
des hélicoptères, des avions, etc.
et par le type de capteur utilisé, visible, proche infrarouge,
infrarouge thermique, etc.
On voit que ces capteurs mesurent donc différentes parties,
différentes bandes du spectre électromagnétique.
Dans le cas du satellite Landsat 5 ici à droite,
nous avons sept bandes de fréquences qui sont mesurées et ces bandes de fréquences
sont intéressantes parce qu'elles réfléchissent plus ou moins fortement
en fonction de la nature du substrat qu'elles rencontrent.
Donc, on a des bandes spectrales particulièrement
sensibles à la présence de végétation, à la présence d'eau, etc.
Et ces diverses combinaisons de bandes spectrales permettent de mettre en
évidence divers phénomènes.
Ainsi, une image dont les canaux rouges, verts et bleus sont constitués par les
bandes 3, 2, 1 d'une image Landsat donne une image visible, une image en
fausse couleur avec les bandes 7, 5 et 3, une image infrarouge avec les bandes 4,
3 et 2, puisque le 4 est dans le proche infrarouge, et une image qui met en
évidence la présence de végétation en combinant les bandes 7, 4 et 2.
Les bandes de l'infrarouge thermique sont utilisées pour cartographier parfois à
très grande échelle et avec une très bonne résolution les températures,
ici les températures moyennes en janvier et en juin 2015.
Les capteurs de micro-ondes passives,
parfois complémentés par des radars actifs, permettent de mesurer l'humidité
du sol comme c'est le cas de la mission de SMOS l'agence spatiale européenne.
Finalement, imagerie satellitaire et mesures au sol sont complémentaires
pour développer des produits comme cette carte de
pluviométrie annuelle sur l'ensemble de l'Est méditerranéen.
[MUSIQUE] [MUSIQUE]
Dans cette leçon, nous avons donc passé en revue les différentes méthodes
d'acquisition de données primaires, données de positionnement et données
thématiques avec pour le positionnement, les mesures astronomiques,
les mesures terrestres, les mesures satellitaires et les mesures par lidar
et dans le cas des données thématiques, les données évidemment ponctuelles
liées aux différents corps de métier et les mesures tirées de l'imagerie
satellitaire par combinaison des différentes bandes spectrales mesurées.
Pour ceux d'entre vous qui souhaiteraient approfondir certains aspects
liés aux technologies utilisées,
je ne peux que vous recommander le cours éléments de géomatique.
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