ArcGIS pour les Nuls

ArcGIS pour les Nuls
1. Introduction à la géomatique

PLAN
• Qu’est-ce qu’un SIG?
• Vocabulaire géographique
• Modèle vectoriel
• Modèle matriciel
• Géoréférence et systèmes de coordonnées

GÉOMATIQUE
contraction des termes géographie et informatique
• Branche de la géographie qui a recours à l’informatique
• L'ensemble des outils et méthodes permettant
d'acquérir, de représenter, d'analyser et d'intégrer
des données géographiques
• Terme né dans les années ’60 au Québec
Géomaticien = Gestionnaire de données spatiales

SIG
Système d’information géographique
• C’est un système d’information composé de :
– Ordinateurs et périphériques
– Logiciels spécialisés
– Données numériques
– Personnel qualifié
– Utilisateurs
Qui gère de l’information de nature géographique
• C’est un système informatique permettant :
– l’acquisition
– la gestion
– l’analyse
– la visualisation de données géographiques numériques
Pour étudier les phénomènes se produisant sur la terre

Pourquoi utiliser un SIG?
Système d’information géographique
• Pour intégrer des données multisources
(cartes, photos, images, …)
• Pour faire des requêtes et visualiser
les résultats
• Pour faire de la cartographie
• Pour faire des analyse spatiales
• …

Technologie
hardware + software
GESTION
DU
TERRITOIRE
Données
SIG
Information
Expertise
“liveware”
Collection de faits et d’observations
recueillies sur des choses, des
phénomènes, des lieux …
représentés sous la forme de valeurs
numériques
Résultat du traitement des données
présenté sous une forme utile à
l’utilisateur
Connaissance
Compréhension d’un phénomène
résultant de l’analyse de
l’information. Valeur ajoutée ++
Prise de décision

Le SIG comme outil d’aide à la décision
GESTION
DU
TERRITOIRE
Où?
Quoi?
Pourquoi?
Comment?
Scénario futur?…

Composantes d’un SIG
3. logiciel
2. matériel
4. méthodes
5. acteurs
SIG
1. données géographiques 6. territoire

1. Données géographiques
Données numériques localisées dans l’espace selon un système
Coordonnées géographiques (X,Y) ou (X,Y,Z)
Ou
Coordonnées projetées (mètres)

1. Données géographiques
FONCTION CLÉ:
Le SIG a la capacité
de superposer
plusieurs cartes /
jeux de données
Ceci permet de
croiser
géographiquement
les données

Données spatiales
Couches
Une couche de données est un ensemble
d’entités spatiales avec leurs localisation,
topologie (point, ligne, polygone) et attributs
Ces trois couches se superposeront parfaitement dans la mesure où leurs
données respectives sont géoréférencées avec la même précision

Données spatiales
Métadonnées
• Données sur les données
• Description et détails sur le jeu de données.
Devrait contenir l’origine, l’auteur, les détails
de sa structure (codes, lexique,
abbréviations)…
• Permet à d’autres utilisateurs de comprendre
et d’utiliser les données (en vue de partage)

FORMATS DE DONNÉES
Vectoriel
• Shape
– Format propriétaire d’ESRI (ArcView, ArcGIS)
• Geodatabase
– Nouveau format d’ArcGIS, mais encore peu adopté
• Coverage
– Format ancien de ArcInfo
• E00 (ungenerate)
– Format d’Import/Export d’ArcInfo (comme un .zip)
• MID/MIF (MapInfo Interchange File)
– Format d’Import/Export de MapInfo
• DLG (Digital Line Graphs)
– Utilisé pour les cartes topographiques (USGS)
• DXF (Data Exchange Format)
– Format d’Import/Export d’Autocad

FORMATS DE DONNÉES
Shapefile (fichier de formes)
• feux_7211.dbf données attributaires
• feux_7211.prj info sur projection
• feux_7211.sbn fichier index
• feux_7211.sbx fichier index
• feux_7211.shp données spatiales (topologie)
• feux_7211.shx fichier index
*Attention à avoir tous les fichiers pour exporter!

FORMATS DE DONNÉES
Matriciel
• GRID
– Format standard des matrices d’ESRI
• BMP (Bitmap)
– Standard d’image dans les applications MicroSoft Windows
• TIFF (Tag Image File Format)
– Utilisé pour le stockage d’images numériques
• GEOTIFF
– Extension du format TIFF qui contient de l’information sur la
géoréférence des données facilitant ainsi leur échange entre
différents SIG
• GIF, JPEG
– Utilisés pour la transmission d’images sur le WEB

La notion d’échelle
L’échelle est le rapport entre la mesure de la taille d’un objet réel
et la mesure de sa représentation (carte, maquette, etc.)
Elle est exprimée de façon numérique généralement fractionnaire
Une unité sur la carte = Une unité sur le terrain
Ex.: 1/50 000 1cm sur la carte = 50 000 cm ou 50 m sur le terrain
Ex.: 1 : 1 000 000 1 m sur la maquette = 1 000 000 m ou 1000 km en réel
Une carte à petite échelle représente un grand territoire…
Une carte à grande échelle représente un petit territoire

La notion d’échelle
Échelle numérique
Toujours exprimée par une fraction et le numérateur est toujours 1.
Le dénominateur indique le facteur de réduction.
1/50 000 ou 1: 50 000 ou 1
50 000
Échelle graphique
L’ensemble de lignes droites représentant sur la carte l’échelle numérique.
Cette échelle est divisée en différentes unités de mesure et parfois en deux parties :
à gauche du zéro, le talon de l’échelle et à droite du zéro, l’échelle.
On favorise
l’échelle
graphique

Deux modèles
de structures
de données
géographiques
SIG
structure vectorielle
structure matricielle

MODÈLE VECTORIEL
• Structure qui permet de manipuler et de
représenter les données graphiques d’après les
coordonnées de points individuels auxquels on
peut ajouter des attributs.
• On distingue trois principaux types de
composantes: point, ligne, polygone
• Définis par la géométrie euclidienne à
2 dimensions
Y
X

MODÈLE VECTORIEL
Composante
Représentation
graphique
Représentation
dans un fichier
Base de données reliées aux éléments vectoriels
point
ligne
id,x,y
id, N
x 1
,y 1
x 2
,y 2
Identificateur
(id)
Attribut #1
(Nom)
Attribut #2
(Population)
...
x N
,y N
x 1
,y 1
est différent
de x N
,y N
1 Montréal 1 800 000
2 Westmount 25 000
polygone
id :
N :
id, N
x 1
,y 1
x 2
,y 2
...
x N
,y N
x 1
,y 1
est
identique à x N
,y N
identificateur
nombre de points définissants l’objet
... ... ...
1 élément dans la carte
=
1 ligne dans la table

MODÈLE VECTORIEL
En mode vecteur les primitives géométriques se ramènent à un tableau
de coordonnées X,Y définissant les vertex et nœuds des formes.
vecteur
vertex

MODÈLE VECTORIEL
TOPOLOGIE
La topologie est une description
des relations spatiales des
objets entre eux. Ex. :
‘est à côté de’ ‘inclu’
‘intersecte’
Entités distinctes
Source: Goodchild et al. (1996)
Entités occupant
tout l’espace
Entités qui se
superposent

MODÈLE VECTORIEL
• Distribution irrégulière des entités spatiales
• Représentation géométrique des entités
• Frontières explicites
• Localisation précise et unique
• Attributs et entités reliés par un numéro
d’identification
• Représentation très efficace de la topologie

MODÈLE MATRICIEL
• Structure qui permet de manipuler et de
représenter l'information cartographique à
partir d'une matrice de cellules (pixels)
qui possèdent certains attributs de teinte et
de couleur.
• L’espace géographique se trouve subdivisé de
façon régulière en cellules de même forme et
de même dimension.

• La localisation est définie par la position
en ligne et en colonne dans la matrice, les
coordonnées géographiques ou projetées
d’un point de référence et la dimension
de la cellule (informations contenues
dans le “header”)
• La valeur numérique attribuée à chaque
cellule correspond à la valeur d’attribut
(un seul)
• Les démarcations se produisant aux
limites des ensembles de cellules de
même valeur ne correspondent pas
nécessairement aux frontières des entités
sur le terrain
Matrice (raster)
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 1 1 0 0 0
0 0 1 1 1 0 0 0
0 0 0 1 1 0 0 0
0 0 0 0 2 2 2 0
0 0 0 2 2 2 2 0
0 0 0 0 2 2 2 0
0 0 0 0 0 2 2 0
Table de couleurs
Table d’attributs (légende …)
Valeurs de la
matrice
Couleur
(r,v,b)
0 (255,255,255)
Valeurs de la
matrice
0
Attribut
1 (128,128,128)
2 (64,64,64)
1 Municipalité "A"
2 Municipalité "B"

Essentiellement une matrice de valeurs ou une image (ou raster)
formée de pixels (une valeur par pixel)
Modélisation de l’information continue (structures difficilement
identifiable à l’œil, champs)
Photos, élévation, température, etc…

Exemples de données matricielles
image satellite
photo. aérienne
MNA
modèle numérique d’altitude
Cartes scannées

Exemples de données matricielles

• Une image =
un fichier =
une variable =
une couche
•Image1 - Température
•Image2 - Élévation
•Image3 - Photo
• Souvent plusieurs bandes par images
Les images couleurs, par exemple, sont
composées d’une bande de rouge, une
bande de vert et une bande de bleu

Précision défini par la résolution – «cell size»
Vectoriel
Matriciels
Quickbird (0.6m)
Landsat ETM+
Pansharpened (15m)
Landsat ETM+ (30m)

Codage des valeurs numériques
2 8 16 256
Niveaux de gris
BIT : Binary Digit valeur binaire 0 ou 1
Codage sur 1 bit : 2 1 : 2 niveaux [0 1]
Codage sur 4 bit : 2 4 : 16 niveaux [0,1,2 .. 15]
Codage sur 8 bit : 2 8 : 256 niveaux [0,1,2 .. 255]
Codage sur 16 bit : 2 16 : 65536 niveaux [0,1,2 .. 65535]

QUEL MODÈLE UTILISER?
• Les modèles vectoriel et matriciel offrent deux
représentations distinctes et complémentaires du
monde réel, chacun devant être adapté à
l’application particulière de l’utilisateur
• Deux critères principaux doivent guider le choix du
modèle :
• le type d’analyse à réaliser
• l’échelle d’étude

Massif forestier dans une carte d’occupation du sol
VECTORIEL
MATRICIEL
Forme vectorielle = liste de points(X,Y)
Table de données associée au vecteur
Grille = grid = matrice
Pas de table : 1 valeur par cellule de la matrice
2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 1 1 1 1
2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 1 1 1
2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 1 1 1 1 1 1 1
2 2 2 2 2 2 1 1 3 3 3 1 1 1 1 1 1 1
2 2 2 2 2 1 1 1 3 3 3 1 1 1 1 1 1 1
2 2 2 2 1 1 1 3 3 3 3 1 1 1 1 1 1 1
2 2 2 2 1 1 1 3 3 3 3 1 1 1 1 1 1 1
2 2 2 2 1 1 1 3 3 3 3 3 3 1 1 1 1 1
2 2 2 2 1 1 1 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
3 3 2 2 1 1 1 1 1 3 3 3 3 3 3 3 1 1
3 3 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 3 3 3 1 1 1
3 3 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 couche vecteur = n champs = n attributs = n informations 1 couche raster = 1 seule information / pixel

Massif forestier dans une carte d’occupation du sol
VECTORIEL
Structure objet
représentation explicite des objets
MATRICIEL
Pas de structure objet
Représentation implicite des objets
En cliquant on peut accéder
au polygone de l’objet forêt
Et à tous ses attributs
En cliquant on ne peut accéder
qu’à la valeur d’un pixel
L’objet forêt n’existe pas
en tant que tel

Massif forestier dans une carte d’occupation du sol
VECTORIEL
MATRICIEL
Pas de représentation explicite de l’espace
Représentation explicite de l’espace

Massif forestier dans une carte d’occupation du sol
VECTORIEL
MATRICIEL
X
Vecteur : éditable modifiable
raster : pas modifiable point à point

Massif forestier dans une carte d’occupation du sol
VECTORIEL
MATRICIEL
rasterisation
vectorisation
VECTEUR « RASTER »

QUEL MODÈLE UTILISER?
Vectoriel
• localisation précise des données
• description topologique exhaustive
• gère les réseaux
• présentation graphique supérieure
• volume réduit des données (espace
disque)
• structure plus ou moins complexe
• mise à jour aisée (édition facile)
• la réalisation d’opérations nécessitant la
superposition de plusieurs planches
d’information requiert des calculs
complexes
• mal adapté aux analyses et simulations
• convient généralement mieux aux études
à échelle locale
Matriciel
• localisation liée à la dimension de la
cellule.
• aucune description topologique
• structure inadéquate pour les réseaux
• représentation graphique liée à la
dimension de la cellule (pixel). Lorsque la
taille de la cellule est importante, on
observe un effet d’escalier sur la
représentation graphique.
• volume important des données (espace
disque)
• mise à jour complexe (édition longue et
pénible)
• structure simple
• superposition aisée des diverses
planchesd’information
• très bien adapté aux analyses et
simulations (analyse de coût/poids)
• convient mieux à l’édude synoptique de
phénomènes régionaux ou globaux

PEUT-ON COMBINER LES 2?
• Routes (vectorielle)
• Zonage (vectorielle)
• Limites administratives (vectorielle)
• Hydrographie (vectorielle)
• Élévation (matricielle)
• Photo du terrain (matricielle)

RÉFÉRENTIEL GÉOGRAPHIQUE
Comment peut on réaliser des cartes planes à partir
du globe terrestre en volume ?

Les modèles de forme de la terre au cours
des âges
Pythagore Antiquité
Huyghens 17 e
Aujourd’hui
+75 m
39,939 km (axe y)
vs
40,075 km (axe x)
terre plate
sphère
ellipsoïde
géoïde
temps
-111 m
Géodésie

Le géoïde terrestre
Représentation de la terre par un « patatoïde » en creux et en bosses
Le géoïde représente la surface équipotentielle du champ de gravité de la terre
qui coïncide avec le niveau moyen des océans
Géodésie

Précision liée au type de modélisation du
globe
Ellipsoïde global Ellipsoïde local
Géoïde
- précis
+
précis
Géodésie

Les ellipsoïdes terrestres
Différents ellipsoïdes sont utilisés en cartographie (« datum »)
Ellipsoïde local
Exemple: North American Datum
(NAD 1983)
WGS 84 : World Geographic System 1984
Ellipsoïdes

• Prendre un ellipsoïde de référence avec un
point décalé du centre de la terre « offset ».
• Plusieurs datum peuvent ainsi être associés au
même ellipsoïde, et ainsi à plusieurs régions
terrestres différentes.
• Le datum indique un nouveau centre
arbitraire de la terre.
• C’est un ‘modèle de surface terrestre
régional’ de la terre ou un ellipsoïde local.
• Souvent basé sur une plaque tectonique
Un ellipsoïde et 2 datums
Source: Manifold - http://www.georeference.org/doc/manifold.htm
Les ellipsoïdes locaux (« datum »)

Les ellipsoïdes locaux (« datum »)

NAD83 vs
WGS84
Au
Québec:
décalage
horizontal
de 1,5 m et
décalage
vertical de
1,5 m
Les ellipsoïdes locaux (« datum ») les plus communs

• NAD 27 (pieds) North American Datum 1927 | Basé sur l’ellipsoïde de Clarke 1866
• NAD 83 (mètres) North American Datum 1983 | Basé sur l’ellipsoïde Geodesic
Reference System GRS 80 (précision satellitaire). Utilisé pour les cartes
topographiques en Amérique du Nord (incluant le Québec et le Canada). Point de
référence: le centre de la terre.
• WGS84 (mètres) World Geodetic
System 1984 | Basé sur l’ellipsoïde
Geodesic Reference System GRS 80
(précision satellitaire). Le plus
commun des datum, tous les GPS
ont ce datum par défaut.
Les ellipsoïdes locaux (« datum ») les plus communs

Ellipsoïdes locaux (« datum »)

• Une même ellipsoide peut être utiliser pour plusieurs datum
(ex. GRS 1980).
• Les coordonnées Lat/long calculées selon un datum ne sont
valides qu’avec ce datum. (Des coordonnées calculées en NAD 27 ne sont pas valides en NAD 83).
• Si on veut visualiser des coordonnées dans un autre datum, la
position sera recalculée (reprojetée) et ainsi de nouvelles
coordonnées seront générées.
• Il est impossible de travailler dans un projet sur ArcGIS avec des
données de datum différents.
Ellipsoïdes locaux (« datum »)

SYSTÈMES DE COORDONNÉES
la « localisation
géographique » se fait à
Deux partir types: d’un
• Géographique
système de
• Projetée (ou plane)
coordonnées
Le système de coordonnées cartésien

SYSTÈME GÉOGRAPHIQUE
Longitude = méridiens | Latitude = parallèles

SYSTÈME GÉOGRAPHIQUE
Longitude = méridiens | Latitude = parallèles

RÉFÉRENTIEL GÉOGRAPHIQUE
La projection cartographique
est une transformation géométrique
permettant de représenter sous la
forme d’une carte plane
la réalité 3D du globe terrestre

SYSTÈME PROJETÉ
Globe terrestre
Projection
Carte plane
Les coordonnées planes obtenues par
transformations mathématiques
permettent des mesures directes sur la carte
Vers une projection cartographique

Vers une projection cartographique
longitude
y
x
latitude
Espace 3D : ellipsoïde terrestre
La projection est la correspondance analytique entre :
1 point (latitude, longitude) de la surface de l’ellipsoïde terrestre et
1 point homologue du plan cartographique (X , Y)
espace 2D : plan cartographique
X = f(latitude, longitude)
Y = g(latitude, longitude)
f et g sont deux fonctions continues qui définissent la projection.
Système projeté

Types de projections
en fonction des déformations liées à la projection
projection tangente projection sécante
Zone la plus précise, sans distorsion
en fonction de la surface de projection
en fonction de la position
de la surface de projection
conique cylindrique Azimutale/plane
Système projeté

Les déformations
Les projections sont des tentatives de
représenter la surface « ronde » de la terre sur
une surface plane (3D vs 2D). Différentes
formes de distorsion découlent de ce
procédé : forme, distance, direction, surface…
mais pas toutes pour tous ces points. En dépit
des problèmes reliés à la distorsion, toutes les
projections conservent un élément important,
c'est-à-dire la précision de la
localisation.
Projections conformes
Elles préservent les formes et les angles
mais pas les rapports de surfaces
Projections équivalentes
Elles préservent les rapports de surfaces
mais pas les formes et les angles
Système projeté

Pourquoi utiliser une projection?
Trois principales raisons en faveur de l’utilisation d’une projection
• Car c’est plus esthétique. La carte a l’air plus “normale”
• Pour permettre la mesure des distances et des aires sur les cartes papiers
• Pour permettre de facilement mesurer des éléments linéaires lors d’analyses
Système projeté

Le point de référence
Source : http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/mapproj/gif/threepro.gif
Système projeté

Lambert préserve
les formes
Albers préserve
les surfaces
Source: http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/mapproj/mapproj_f.html
Peut devenir un problème en SIG…

Exemples de projections

Projection cylindrique de Mercator
• Très populaire, à la base de la cartographie de presque tous les pays
• Grande distorsion aux pôles
Exemples de projections

Universel Transverse de Mercator (UTM)
Exemples de projections

• Le globe est divisé en 60 zones de 6° de longitude de
large (360 km à l’équateur).
• Les numéros de zones croissent d'ouest en est à partir du
méridien 180°, allant de 1 à 60.
• Chacune des zones est centrée sur un méridien de façon à
ce qu'il y ait 3° de chaque côté de ce méridien central.
• Les longitudes Eastings sont données en mètres en
prenant pour origine le méridien central, celui-ci est
considéré comme ayant une coordonnée en x de
500000m. Si l'on est à l'ouest de ce méridien central on soustrait de
500000 la distance (en mètres) à laquelle on se trouve du méridien. Si
l'on est à l'est de ce méridien central on additionne à 500000 la distance
(en mètres) à laquelle on se trouve du méridien.
• Les latitudes Northings sont données en mètres en
prenant pour origine l'équateur. Pour l'hémisphère nord, la
valeur de y à l'équateur est 0 et on additionne la distance (en mètres) à
laquelle on se trouve de l'équateur. Pour l'hémisphère sud, la valeur de y à
l'équateur est 10 000 000 et on soustrait de cette valeur, la distance à
laquelle on se trouve de l'équateur.
Universel Transverse de Mercator (UTM)

Modifié Transverse de Mercator (MTM)
• Il s'agit d'un système de projection utilisé seulement au Québec.
• Le territoire québécois est divisé en 8 zones de 3° de longitude de large (180 km).
• Les zones sont numérotées de 3 à 10 débutant aux Iles-de-la-Madeleine et se terminant
en Abitibi.
• Chacune des zones est centrée sur un méridien de façon à ce qu'il y ait 1,5° de
chaque côté de ce méridien.
• L'origine en x est située sur le méridien central et possède une valeur de 304800m;
Eastings.
• L'origine en y est située sur l'équateur et possède une valeur de 0 pour l'hémisphère
nord; Northings.
• Le calcul des positions relatives des objets s'effectue de la même façon que pour le
système UTM.
Exemples de projections

Coniques: très utiles pour l’hémisphère nord
• Albers conique
• Lambert conique conforme : utile pour représenter les
grands territoires, surtout en Amérique du Nord
Projections coniques

Azimutales: très utiles pour les pôles
• Lambert azimutale
Projections azimutales

Paramètres d’une projection
type d’ellipsoïde et ses caractéristiques
type de projection : cylindrique, conique …
points ou courbes origines de la projection
méridien et parallèle centrés sur la projection
facteur d’échelle (dilater / serrer)
offset est = false easting = décalage en X
offset nord = false northing = décalage en Y
de manière à toujours avoir
des coordonnées positives
dans la zone couverte par la projection
Principaux paramètres définissant une projection

Exemples de projections