Concept de base des SIG Un système d'information géographique ( SIG ) est constitué de matériel et de logiciels informatiques intégrés permettant de stocker, gérer, analyser , m...
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Concept de base des SIG
Un système d'information géographique ( SIG ) est constitué de matériel et de logiciels informatiques intégrés permettant de stocker, gérer, analyser , modifier, exporter et visualiser des données géographiques . La plupart de ces opérations se déroulent généralement au sein d'une base de données spatiale ; toutefois, cela n'est pas indispensable à la définition d'un SIG. Au sens large, un tel système peut également inclure les utilisateurs et le personnel de soutien, les procédures et les flux de travail, l' ensemble des connaissances relatives aux concepts et méthodes pertinents, ainsi que les organisations institutionnelles.
L’ expression « systèmes d’information géographique » (SIG), au pluriel indénombrable, désigne le secteur et la profession concernés par ces systèmes. La discipline universitaire qui étudie ces systèmes et leurs principes géographiques sous-jacents peut également être abrégée en SIG, mais l’expression plus courante « géomatique » est plus fréquente. La géomatique est souvent considérée comme une sous-discipline de la géographie, au sein de la branche de la géographie technique .
Les systèmes d'information géographique (SIG) sont utilisés dans de nombreuses technologies, processus, techniques et méthodes. Ils sont intégrés à diverses opérations et à de nombreuses applications, notamment dans les domaines de l'ingénierie, de l'aménagement du territoire, de la gestion, des transports et de la logistique, des assurances, des télécommunications et du commerce , ainsi que dans les sciences naturelles telles que la foresterie, l'écologie et les sciences de la Terre. C'est pourquoi les applications SIG et de géolocalisation sont fondamentales pour les services géolocalisés, qui reposent sur l'analyse et la visualisation géographiques.
Les SIG permettent de relier des informations auparavant disparates grâce à l'utilisation de la localisation comme variable d'index principale. Les positions et les étendues dans l' espace-temps terrestre peuvent être enregistrées par la date et l'heure, ainsi que par les coordonnées x, y et z : longitude ( x ), latitude ( y ) et altitude ( z ). Toutes les références spatio-temporelles de position et d'étendue terrestres doivent être reliées entre elles et, en fin de compte, à une position ou une étendue physique réelle. Cette caractéristique fondamentale des SIG a ouvert de nouvelles perspectives pour la recherche et les études scientifiques.
Roger Tomlinson a inventé l'expression « système d'information géographique », bon nombre des concepts et méthodes géographiques que le SIG automatise remontent à des décennies plus tôt.La version d' EW Gilbert (1958) de la carte de John Snow de 1855 sur l'épidémie de choléra de Soho montrant les foyers de choléra lors de l' épidémie londonienne de 1854
L'un des premiers exemples connus d'utilisation de l'analyse spatiale provient du domaine de l'épidémiologie, dans le Seine (1832). Le cartographe et géographe français quarante-huit arrondissements de Paris , utilisant des dégradés de couleurs en demi-teintes , pour fournir une représentation visuelle du nombre de décès signalés dus au choléra pour 1 000 habitants.
En 1854, John Snow , épidémiologiste et médecin, parvint à déterminer l'origine d'une épidémie de choléra à Londres grâce à l'analyse spatiale. Il y parvint en cartographiant le domicile de chaque victime, ainsi que les points d'eau avoisinants. Une fois ces points marqués, il put identifier, au sein du groupe de cas, la source d'eau responsable de l'épidémie. Ce fut l'une des premières applications réussies d'une méthode géographique pour localiser l'origine d'une épidémie en épidémiologie. Si les éléments de base de la topographie et de la thématique existaient déjà en cartographie , la carte de Snow était unique en ce qu'il utilisait les méthodes cartographiques non seulement pour représenter, mais aussi pour analyser des regroupements de phénomènes géographiquement dépendants.
Au début du XXe siècle, la photozincographie se développa , permettant de superposer les couches des cartes, par exemple une pour la végétation et une autre pour l'eau. Cette technique était particulièrement utilisée pour l'impression des courbes de niveau : leur tracé était une tâche fastidieuse, mais le fait de les disposer sur une couche séparée permettait de travailler dessus sans être perturbé par les autres couches . Ce travail était initialement réalisé sur des plaques de verre, puis sur des films plastiques , plus légers, moins encombrants et plus résistants, entre autres. Une fois toutes les couches terminées, elles étaient assemblées en une seule image à l'aide d'une chambre photographique. Avec l'avènement de l'impression couleur, le principe des couches fut également utilisé pour créer des plaques d'impression distinctes pour chaque couleur. Si l'utilisation des couches est devenue bien plus tard une caractéristique typique des SIG modernes, le procédé photographique décrit ici n'est pas considéré comme un SIG en soi , car les cartes étaient de simples images sans base de données à laquelle les relier.
La première publication détaillant l'utilisation des ordinateurs pour faciliter la cartographie a été écrite par Waldo Tobler en 1959. Le développement ultérieur du matériel informatique, stimulé par la recherche sur les armes nucléaires, a conduit à des applications de « cartographie » informatique à usage général plus répandues au début des années 1960.
En 1963, le premier véritable SIG opérationnel au monde a été mis au point à Ottawa , en Ontario, au Canada, par le ministère fédéral des Forêts et du Développement rural. Conçu par Roger Tomlinson , il s’appelait le Système d’information géographique du Canada (SIG-C) et servait à stocker, analyser et manipuler les données recueillies pour l’ Inventaire des terres du Canada , un projet visant à déterminer le potentiel des terres rurales canadiennes en cartographiant des renseignements sur les sols , l’agriculture, les loisirs, la faune, la sauvagine , la foresterie et l’utilisation des terres à l’échelle 1/50 000. Un facteur de classification a également été ajouté pour permettre l’analyse.
Le SIG canadien représentait une amélioration par rapport aux applications de cartographie informatique, car il offrait des fonctionnalités de stockage, de superposition, de mesure et de numérisation des données . Il prenait en charge un système de coordonnées national couvrant l'ensemble du continent, codait les lignes sous forme d'arcs possédant une topologie intégrée et stockait les attributs et les informations de localisation dans des fichiers distincts. De ce fait, Tomlinson est devenu célèbre comme le « père des SIG », notamment pour son utilisation des superpositions afin de promouvoir l'analyse spatiale des données géographiques convergentes. Le SIG canadien a été utilisé jusque dans les années 1990 et a permis de constituer une vaste base de données numériques sur les ressources foncières au Canada. Développé comme un système central , il était destiné à appuyer la planification et la gestion des ressources aux niveaux fédéral et provincial. Sa force résidait dans l'analyse à l'échelle du continent d' ensembles de données complexes . Le SIG canadien n'a jamais été commercialisé.
En 1964, Howard T. Fisher fonda le Laboratoire d'infographie et d'analyse spatiale de la Harvard Graduate School of Design (LCGSA, 1965-1991), où furent développés plusieurs concepts théoriques importants en matière de traitement des données spatiales. Dès les années 1970, ce laboratoire diffusa des logiciels et des systèmes novateurs, tels que SYMAP, GRID et ODYSSEY, auprès d'universités, de centres de recherche et d'entreprises du monde entier. Ces programmes constituèrent les premiers exemples de logiciels SIG généralistes non conçus pour une installation particulière et exercèrent une influence considérable sur les logiciels commerciaux ultérieurs, comme Esri ARC/INFO , lancé en 1983.
Travaillant au sein du laboratoire de Harvard, Tom Waugh a développé son logiciel GIMMS (Geographic Information Mapping and Manipulation System), un système de cartographie et de manipulation d'informations géographiques vectoriel, à partir de 1969. De retour à l' Université d'Édimbourg , il a commercialisé ce logiciel dès 1973 . On peut le considérer comme le premier SIG utilisé à l'échelle mondiale, ayant anticipé certaines caractéristiques clés du système Harvard Odyssey de près de cinq ans et d'ARC/INFO d'une décennie
À la fin des années 1970, deux systèmes SIG du domaine public ( MOSS et GRASS GIS ) étaient en développement, et au début des années 1980, M&S Computing (devenu plus tard Intergraph ), ainsi que Bentley Systems Incorporated pour la plateforme CAO , l'Environmental Systems Research Institute ( ESRI ), CARIS (Computer Aided Resource Information System) et ERDAS (Earth Resource Data Analysis System), sont apparus comme des fournisseurs commerciaux de logiciels SIG, intégrant avec succès de nombreuses fonctionnalités des SIG informatisés, combinant l'approche de première génération de séparation des informations spatiales et attributaires avec une approche de deuxième génération d'organisation des données attributaires dans des structures de bases de données.
En 1986, MIDAS (Mapping Display and Analysis System), le premier logiciel SIG de bureau a été lancé pour MS-DOS . Il a été renommé MapInfo pour Windows en 1990 lors de son adaptation à Windows . Cela a marqué le début de la diffusion des SIG du département de recherche vers le monde de l'entreprise.
À la fin du XXe siècle, la croissance rapide des différents systèmes s'était consolidée et standardisée sur un nombre relativement restreint de plateformes, et les utilisateurs commençaient à explorer la visualisation des données SIG sur Internet, ce qui nécessitait des normes de format et de transfert de données. Plus récemment, un nombre croissant de logiciels SIG libres et open source fonctionnent sur divers systèmes d'exploitation et peuvent être personnalisés pour réaliser des tâches spécifiques. La tendance majeure du XXIe siècle a été l'intégration des capacités SIG avec d'autres technologies de l'information et l'infrastructure Internet, telles que les bases de données relationnelles , le cloud computing , le logiciel en tant que service (SaaS) et l'informatique mobile .
Logiciel SIG
Relations entre les SIG généraux, les SIG distribués, les SIG Internet, les SIG Web, les SIG mobiles, les SIG cybernétiques et la cartographie informatique.logiciel SIG , application généraliste conçue pour être utilisée dans de nombreux systèmes d'information géographique et dans divers domaines d'application. À partir de la fin des années 1970, de nombreux progiciels ont été créés spécifiquement pour les applications SIG. ArcGIS d' Esri , qui comprend ArcGIS Pro et l'ancien logiciel ArcMap , domine actuellement le marché des SIG. Parmi les autres exemples de SIG, citons Autodesk et MapInfo Professional , ainsi que des logiciels libres tels que QGIS , GRASS GIS , MapGuide et Hadoop-GIS . Ces applications SIG de bureau, parmi d'autres, offrent une suite complète de fonctionnalités pour la saisie, la gestion, l'analyse et la visualisation de données géographiques, et sont conçues pour être utilisées de manière autonome.
À partir de la fin des années 1990, avec l'émergence d'Internet et les progrès des technologies de réseaux informatiques, l'infrastructure et les données SIG ont commencé à migrer vers des serveurs , offrant ainsi un nouveau moyen de fournir des fonctionnalités SIG. Cette migration a été facilitée par des logiciels autonomes installés sur un serveur, similaires à d'autres logiciels serveur tels que les serveurs HTTP et les systèmes de gestion de bases de données relationnelles , permettant aux clients d'accéder aux données et aux outils de traitement SIG sans avoir à installer de logiciel de bureau spécialisé. Ces réseaux sont connus sous le nom de SIG distribués . Cette stratégie a été étendue grâce à Internet et au développement de plateformes SIG basées sur le cloud, telles qu'ArcGIS Online et les logiciels SIG en tant que service (SaaS). L'utilisation d'Internet pour faciliter les SIG distribués est connue sous le nom de SIG Internet .
Une autre approche consiste à intégrer tout ou partie de ces fonctionnalités à d'autres architectures logicielles ou informatiques. On peut citer en exemple l' extension spatiale des logiciels de bases de données objet-relationnelles , qui définit un type de données géométriques permettant de stocker des données spatiales dans des tables relationnelles, ainsi que les extensions SQL pour les opérations d'analyse spatiale telles que la superposition . Autre exemple : la prolifération des bibliothèques géospatiales et des interfaces de programmation (API ) (par exemple, GDAL , Leaflet , D3.js ) qui étendent les langages de programmation pour permettre l'intégration et le traitement des données SIG dans des logiciels personnalisés, notamment les sites de cartographie web et les services de géolocalisation sur smartphones .
Gestion des données géospatiales
Au cœur de tout SIG se trouve une base de données contenant des représentations de phénomènes géographiques, modélisant leur géométrie (localisation et forme) et leurs propriétés ou attributs . Une base de données SIG peut être stockée sous diverses formes, comme un ensemble de fichiers de données distincts ou une base de données relationnelle unique à intégration spatiale . La collecte et la gestion de ces données représentent généralement la majeure partie du temps et des ressources financières d'un projet, bien plus que d'autres aspects tels que l'analyse et la cartographie.
Aspects des données géographiques
Les SIG utilisent la localisation spatio-temporelle comme variable d'index principale pour toutes les autres informations. De même qu'une base de données relationnelle contenant du texte ou des nombres peut relier de nombreuses tables différentes grâce à des variables d'index communes, les SIG peuvent relier des informations a priori sans lien entre elles en utilisant la localisation comme variable d'index principale. La clé est la localisation et/ou l'étendue dans l'espace-temps.
Toute variable localisable spatialement, et de plus en plus temporellement, peut être référencée à l'aide d'un SIG. Les positions ou étendues dans l'espace-temps terrestre peuvent être enregistrées sous forme de dates et heures d'occurrence, et de coordonnées x, y et z représentant respectivement la longitude , la latitude et l'altitude . Ces coordonnées SIG peuvent correspondre à d'autres systèmes de référence spatio-temporels quantifiés (par exemple, numéro d'image de film, station de jaugeage de cours d'eau, borne kilométrique d'autoroute, repère de nivellement, adresse d'un bâtiment, intersection, portail d'entrée, sondage de profondeur d'eau, origine/unités d'un dessin CAO ou d'un système de point de vente ). Les unités appliquées aux données spatio-temporelles enregistrées peuvent varier considérablement (même avec des données identiques, voir les projections cartographiques ), mais toutes les références de position et d'étendue spatio-temporelles terrestres devraient, idéalement, être liées entre elles et, en fin de compte, à une position ou étendue physique « réelle » dans l'espace-temps.
Grâce à des informations spatiales précises, une incroyable variété de données réelles et projetées, passées ou futures, peuvent être analysées, interprétées et représentées. Cette caractéristique clé des SIG a commencé à ouvrir de nouvelles voies de recherche scientifique sur les comportements et les modèles d'informations du monde réel qui n'avaient pas été systématiquement corrélés auparavant .
Modélisation des données
les objets discrets (par exemple, une maison, une route) et les champs continus (par exemple, les précipitations ou la densité de population). D'autres types de phénomènes géographiques, comme les événements (par exemple, la localisation des batailles de la Seconde Guerre mondiale ), les processus (par exemple, l'étendue de l'urbanisation) et les masses (par exemple, les types de sols d'une zone), sont représentés moins fréquemment ou indirectement, ou sont modélisés dans le cadre de procédures d'analyse plutôt que directement dans les données.
Traditionnellement, deux grandes méthodes sont utilisées pour stocker les données dans un SIG pour les deux types d'abstractions cartographiques : les images raster et les vecteurs . Les points, les lignes et les polygones représentent les données vectorielles des références d'attributs de localisation cartographiées.
Une nouvelle méthode hybride de stockage de données consiste à identifier des nuages de points, qui combinent des points tridimensionnels avec des informations RVB pour chaque point, produisant ainsi une image couleur 3D . Les cartes thématiques SIG deviennent alors de plus en plus fidèles à la réalité visuelle de ce qu'elles visent à montrer ou à déterminer.
Acquisition de données
Exemple de matériel pour la cartographie ( GPS et télémètre laser ) et la collecte de données ( ordinateur durci ). La tendance actuelle en matière de systèmes d'information géographique (SIG) est de réaliser une cartographie précise et une analyse des données directement sur le terrain. Le matériel présenté ( technologie de cartographie de terrain ) est principalement utilisé pour les inventaires forestiers , la surveillance et la cartographie.
L'acquisition de données SIG comprend plusieurs méthodes de collecte de données spatiales dans une base de données SIG, que l'on peut regrouper en trois catégories : la capture de données primaires , c'est-à-dire la mesure directe des phénomènes sur le terrain (par exemple, la télédétection , le système de positionnement global ) ; la capture de données secondaires , soit l'extraction d'informations à partir de sources existantes non SIG, telles que les cartes papier, par numérisation ; et le transfert de données , soit la copie de données SIG existantes provenant de sources externes, comme les organismes gouvernementaux et les entreprises privées. Toutes ces méthodes peuvent s'avérer très coûteuses en temps, en argent et en autres ressources.
Capture de données primaires
Les données d'enquête peuvent être directement saisies dans un SIG à partir des systèmes de collecte de données numériques embarqués sur les instruments d'enquête, grâce à une technique appelée géométrie des coordonnées (COGO). Les positions issues d'un système mondial de navigation par satellite ( GNSS ), tel que le système de positionnement global (GPS) , peuvent également être collectées puis importées dans un SIG. Une tendance actuelle en matière de collecte de données permet aux utilisateurs d'utiliser des ordinateurs de terrain et de modifier les données en direct via des connexions sans fil ou des sessions d'édition déconnectées. Cette tendance est à l'utilisation d'applications disponibles sur smartphones et assistants numériques personnels (PDA) sous forme de SIG mobiles. Cette évolution a été facilitée par la disponibilité d'unités GPS cartographiques à bas coût, offrant une précision décimétrique en temps réel. Ceci élimine la nécessité de post-traiter, d'importer et de mettre à jour les données au bureau après la collecte sur le terrain. Il est notamment possible d'intégrer les positions collectées à l'aide d'un télémètre laser . Les nouvelles technologies permettent également aux utilisateurs de créer des cartes et d'effectuer des analyses directement sur le terrain, ce qui rend les projets plus efficaces et la cartographie plus précise.
Les données de télédétection jouent un rôle important dans la collecte de données et proviennent de capteurs fixés à une plateforme. Ces capteurs comprennent des caméras, des scanners numériques et des lidars , tandis que les plateformes sont généralement des aéronefs et des satellites . En Angleterre, au milieu des années 1990, les hélikites , des engins hybrides combinant cerf-volant et ballon , ont été les premiers à utiliser des caméras numériques aéroportées compactes comme systèmes d'information géographique (GIS) embarqués. Un logiciel de mesure aéroporté, précis à 0,4 mm, permettait de relier les photographies et de mesurer le terrain. Les hélikites sont peu coûteux et recueillent des données plus précises que les aéronefs. Ils peuvent être utilisés au-dessus des routes, des voies ferrées et des zones urbaines où les drones sont interdits.
Récemment, la collecte de données aériennes est devenue plus accessible grâce aux drones miniatures . Par exemple, l' Aeryon Scout a été utilisé pour cartographier une zone de 50 acres avec une résolution spatiale de l'interprétation de photographies aériennes. Des stations de travail dédiées à la numérisation permettent de saisir les éléments directement à partir de paires stéréoscopiques de photographies numériques. Ces systèmes permettent l'acquisition de données en deux et trois dimensions, les altitudes étant mesurées directement à partir d'une paire stéréoscopique grâce aux principes de la photogrammétrie . Les photographies aériennes analogiques doivent être numérisées avant d'être importées dans un système de numérisation ; cette étape est omise pour les appareils photo numériques haute résolution.
La télédétection satellitaire constitue une autre source importante de données spatiales. Les satellites utilisent différents ensembles de capteurs pour mesurer passivement la réflectance de certaines parties du spectre électromagnétique ou des ondes radio émises par un capteur actif, tel qu'un radar. La télédétection collecte des données raster qui peuvent ensuite être traitées à l'aide de différentes bandes spectrales afin d'identifier les objets et les classes d'intérêt, comme l'occupation du sol.
Collecte de données secondaires
la numérisation , qui consiste à transférer une carte ou un plan topographique papier sur un support numérique à l'aide d'un logiciel de CAO et de fonctions de géoréférencement. Grâce à la large disponibilité d' images orthorectifiées (issues de satellites, d'avions, d'hélicoptères et de drones), la numérisation directe (ou numérisation tête haute) devient la principale méthode d'extraction de données géographiques. Cette technique consiste à reporter les données géographiques directement sur l'image aérienne, contrairement à la méthode traditionnelle qui consiste à tracer le relief sur une tablette graphique (numérisation tête basse). La numérisation tête basse, ou numérisation manuelle, utilise un stylet magnétique spécial qui transmet les informations à un ordinateur pour créer une carte numérique identique. Certaines tablettes utilisent un outil semblable à une souris, appelé « palet », à la place du stylet. Ce palet possède une petite fenêtre avec un réticule, ce qui permet une plus grande précision et un repérage précis des éléments de la carte. Bien que la numérisation tête haute soit plus couramment utilisée, la numérisation tête basse reste utile pour numériser des cartes de mauvaise qualité.
Les données existantes imprimées sur papier ou sur film PET peuvent être numérisées pour produire des données numériques. Un numériseur produit des données vectorielles lorsqu'un opérateur trace les points, les lignes et les contours des polygones d'une carte. La numérisation d'une carte produit des données raster qui peuvent ensuite être traitées pour produire des données vectorielles.
Lors de la collecte de données, l'utilisateur doit se demander si les données doivent être collectées avec une précision relative ou absolue, car cela pourrait influencer non seulement l'interprétation des informations, mais aussi le coût de la collecte des données.
Après leur saisie dans un SIG, les données nécessitent généralement une édition pour corriger les erreurs ou un traitement complémentaire. Les données vectorielles doivent être rendues « topologiquement correctes » avant de pouvoir être utilisées pour des analyses avancées. Par exemple, dans un réseau routier, les lignes doivent se connecter aux nœuds situés aux intersections. Les erreurs telles que les sous-dépassements et les sur-dépassements doivent également être corrigées. Pour les cartes numérisées, il peut être nécessaire de supprimer les imperfections de la carte source du raster résultant . Par exemple, une tache de poussière peut relier deux lignes qui ne devraient pas l'être.
Projections, systèmes de coordonnées et enregistrement
La latitude et la longitude indiquées sur une carte établie par rapport à un système de référence local peuvent différer de celles obtenues à partir d'un récepteur GPS . La conversion des coordonnées d'un système de référence à un autre nécessite une transformation de référence telle qu'une transformation de Helmert , bien que dans certaines situations, une simple translation puisse suffire.
Dans les logiciels SIG courants, les données projetées en latitude/longitude sont souvent représentées sous forme de système de coordonnées géographiques . Par exemple, les données en latitude/longitude dont le datum est le « North American Datum of 1983 » sont notées « GCS North American 1983 ».
Qualité des données
homomorphisme , les données doivent être suffisamment proches de la réalité pour que les résultats des procédures SIG correspondent correctement à ceux des processus du monde réel. Cela signifie qu'il n'existe pas de norme unique de qualité des données, car le niveau de qualité requis dépend de l'échelle et de la finalité des tâches pour lesquelles elles sont utilisées. Plusieurs éléments de qualité des données sont importants pour les données SIG :
Le degré de similarité entre une mesure représentée et sa valeur réelle ; inversement, l’erreur correspond à l’écart entre elles. Dans les données SIG, la précision des représentations de la localisation ( précision positionnelle ), des propriétés ( précision des attributs ) et du temps est cruciale. Par exemple, le recensement américain de 2020 indique que la population de Houston au 1er avril 2020 était de 2 304 580 habitants ; si elle était en réalité de 2 310 674, il s’agirait d’une erreur et donc d’un manque de précision des attributs.
Le degré de précision d'une valeur représentée. Pour une propriété quantitative, il s'agit du nombre de chiffres significatifs de la valeur mesurée. Une valeur imprécise est vague ou ambiguë, incluant une plage de valeurs possibles. Par exemple, affirmer que la population de Houston le 1er avril 2020 était d'« environ 2,3 millions » serait imprécis, mais probablement exact car il inclut la valeur correcte (et de nombreuses valeurs incorrectes). Comme pour l'exactitude, les représentations de localisation, de propriété et de temps peuvent être plus ou moins précises. La résolution est une expression courante de la précision positionnelle, notamment pour les données raster . L'échelle est étroitement liée à la précision cartographique, car elle détermine un niveau de précision spatiale souhaitable, mais elle pose problème dans les SIG, où un jeu de données peut être affiché à différentes échelles (y compris des échelles inadaptées à la qualité des données).
Il s'agit d'une reconnaissance générale de la présence d'erreurs et d'imprécisions dans les données géographiques. Autrement dit, il s'agit d'un degré de doute général, étant donné la difficulté à déterminer précisément l'ampleur des erreurs dans un ensemble de données, même si une estimation peut être tentée (un intervalle de confiance étant une telle estimation de l'incertitude). Ce terme est parfois utilisé de manière générique pour désigner la plupart, voire la totalité, des aspects liés à la qualité des données.
Le degré d'imprécision intrinsèque d'un aspect (localisation, propriété ou temps) d'un phénomène, plutôt que l'imprécision d'une valeur mesurée. Par exemple, l'étendue spatiale de la zone métropolitaine de Houston est imprécise, car certaines zones périphériques sont moins connectées au centre-ville (mesurées par des activités telles que les déplacements domicile-travail ) que les zones plus proches. Des outils mathématiques comme la théorie des ensembles flous sont couramment utilisés pour gérer l'imprécision des données géographiques.
Complétude
Le degré auquel un ensemble de données représente toutes les caractéristiques réelles qu'il est censé inclure. Par exemple, si une couche de « routes à Houston » ne contient pas certaines rues réelles, elle est incomplète.
Devise
Le point le plus récent dans le temps auquel un ensemble de données prétend représenter fidèlement la réalité. C'est un point crucial pour la plupart des applications SIG, qui tentent de représenter le monde « à l'heure actuelle », auquel cas les données plus anciennes sont de moindre qualité.
Le degré de correspondance entre les représentations des nombreux phénomènes d'un ensemble de données. La cohérence des relations topologiques entre les objets spatiaux est un aspect particulièrement important de la cohérence. Par exemple, si toutes les lignes d'un réseau routier étaient déplacées accidentellement de 10 mètres vers l'est, elles seraient inexactes mais toujours cohérentes, car elles se connecteraient toujours correctement à chaque intersection, et les outils d'analyse de réseau tels que le calcul du plus court chemin donneraient toujours des résultats corrects.
La mesure dans laquelle la qualité des résultats des méthodes d'analyse spatiale et autres outils de traitement dépend de la qualité des données d'entrée. Par exemple, l'interpolation est une opération courante utilisée de nombreuses manières dans les SIG ; comme elle génère des estimations de valeurs entre des mesures connues, les résultats seront toujours plus précis, mais moins certains (car chaque estimation comporte une marge d'erreur inconnue).
La qualité d'un jeu de données dépend fortement de ses sources et des méthodes utilisées pour sa création. Les géomètres ont pu fournir une grande précision de positionnement grâce à des équipements GPS haut de gamme , mais la géolocalisation GPS des smartphones classiques est beaucoup moins précise. Les jeux de données courants, tels que les modèles numériques de terrain et les images aériennes sont disponibles avec des niveaux de qualité très variables, notamment en termes de précision spatiale. Les cartes papier, numérisées depuis de nombreuses années et utilisées comme source de données, peuvent également présenter une qualité très variable.
Une analyse quantitative des cartes met en évidence les problèmes de précision. Les équipements électroniques et autres utilisés pour effectuer des mesures dans le cadre des SIG sont beaucoup plus précis que les machines d'analyse cartographique conventionnelle. Toutes les données géographiques sont intrinsèquement imprécises, et ces imprécisions se propagent dans les opérations SIG de manière difficilement prévisible.
Conversion raster-vecteur
Un SIG peut restructurer les données pour les convertir en différents formats. Par exemple, il peut convertir une image satellite en une structure vectorielle en traçant des lignes autour de toutes les cellules de même classification, tout en déterminant leurs relations spatiales, telles que la contiguïté ou l'inclusion.
Un traitement de données plus avancé est possible grâce au traitement d'images , une technique développée à la fin des années 1960 par la NASA et le secteur privé pour améliorer le contraste, obtenir un rendu en fausses couleurs et utiliser diverses autres techniques, notamment la transformée de Fourier bidimensionnelle . Les données numériques étant collectées et stockées de diverses manières, les deux sources de données peuvent ne pas être entièrement compatibles. Un SIG doit donc être capable de convertir les données géographiques d'une structure à une autre. Ce faisant, les hypothèses implicites sous-jacentes aux différentes ontologies et classifications nécessitent une analyse. Les ontologies d'objets ont acquis une importance croissante grâce à la programmation orientée objet et aux travaux soutenus de Barry Smith et de ses collaborateurs.
ETL spatial
Les outils ETL spatiaux offrent les fonctionnalités de traitement de données des logiciels ETL traditionnels, mais se concentrent principalement sur la gestion des données spatiales. Ils permettent aux utilisateurs de SIG de convertir des données entre différents formats standards et propriétaires, tout en effectuant des transformations géométriques au cours du processus. Ces outils peuvent se présenter sous forme d'extensions pour des logiciels plus généraux, tels que les tableurs .
Analyse spatialeveille stratégique, appelée « intelligence spatiale », qui, diffusée librement via un intranet, démocratise l'accès aux données géographiques et des réseaux sociaux. L'intelligence géospatiale , basée sur l'analyse spatiale SIG, est également devenue un élément clé de la sécurité. Le SIG, dans son ensemble, peut être décrit comme la conversion vers une représentation vectorielle ou vers tout autre processus de numérisation.
jeu de données en entrée , effectue une opération sur ce jeu de données et renvoie le résultat de l'opération sous forme de jeu de données en sortie. Les opérations de géotraitement courantes comprennent la superposition d'entités géographiques, la sélection et l'analyse d'entités, le traitement topologique , le traitement raster et la conversion de données. Le géotraitement permet la définition, la gestion et l'analyse des informations utilisées pour la prise de décision.
Analyse du terrain
Modèle d'ombrage dérivé d'un modèle numérique d'élévation de la région de Valestra dans les Apennins du Nord (Italie)terrain , c'est-à-dire la forme de la surface terrestre, comme l'hydrologie , les travaux de terrassement et la biogéographie . Les données de terrain constituent donc souvent un ensemble de données essentiel dans un SIG, généralement sous la forme d'un modèle numérique d'élévation (MNE) raster ou d'un réseau triangulé irrégulier (TIN). La plupart des logiciels SIG proposent divers outils d'analyse du terrain, souvent par la création de jeux de données dérivés représentant un aspect spécifique de la surface. Parmi les plus courants, on peut citer :
La pente ou le gradient est la raideur ou le degré d'inclinaison d'une unité de terrain, généralement mesuré en angle en degrés ou en pourcentage.
L’exposition peut être définie comme la direction dans laquelle une unité de terrain est orientée. L’exposition est généralement exprimée en degrés par rapport au nord.
Le calcul des travaux de déblai et de remblai permet d'estimer les coûts en déterminant la différence entre la surface avant et après un projet d'excavation .
La modélisation hydrologique apporte une dimension spatiale absente des autres modèles hydrologiques, grâce à l'analyse de variables telles que la pente, l'exposition et la superficie du bassin versant . L'analyse du terrain est fondamentale en hydrologie, car l'eau s'écoule toujours en suivant une pente. L'analyse de base du terrain à partir d'un modèle numérique d'élévation (MNE) impliquant le calcul de la pente et de l'exposition, les MNE sont très utiles pour l'analyse hydrologique. La pente et l'exposition permettent de déterminer la direction du ruissellement de surface et, par conséquent, l'accumulation des flux pour la formation des cours d'eau, des rivières et des lacs. Les zones de divergence des flux indiquent clairement les limites d'un bassin versant. Une fois la matrice de direction et d'accumulation des flux créée, des requêtes permettent d'identifier les zones d'apport ou de dispersion en un point donné. Il est possible d'enrichir le modèle de détails supplémentaires, tels que la rugosité du terrain, les types de végétation et de sol, qui influencent les taux d'infiltration et d'évapotranspiration, et donc le ruissellement de surface. L'une des principales applications de la modélisation hydrologique réside dans la recherche sur la contamination environnementale . Parmi les autres applications de la modélisation hydrologique, on peut citer la cartographie des eaux souterraines et de surface , ainsi que les cartes des risques d'inondation.
L'analyse de la visibilité permet de prédire l'impact du terrain sur la visibilité entre les différents points, ce qui est particulièrement important pour les communications sans fil.
Le relief ombré est une représentation de la surface comme s'il s'agissait d'un modèle tridimensionnel éclairé depuis une direction donnée, très couramment utilisée en cartographie.
La plupart de ces paramètres sont générés à l'aide d'algorithmes qui sont des simplifications discrètes du calcul vectoriel . La pente, l'exposition et la courbure de surface, utilisées en analyse de terrain, sont toutes dérivées d'opérations de voisinage à partir des valeurs d'altitude des cellules adjacentes. Chacun de ces paramètres est fortement influencé par le niveau de détail des données de terrain, notamment par la résolution d'un MNT, qui doit être choisie avec soin.
Il est difficile de corréler les cartes des zones humides aux quantités de précipitations enregistrées en différents points, tels que les aéroports, les stations de télévision et les écoles. Un SIG, en revanche, permet de représenter les caractéristiques bidimensionnelles et tridimensionnelles de la surface, du sous-sol et de l'atmosphère terrestres à partir de points d'information. Par exemple, un SIG peut générer rapidement une carte avec des isoplèthes ou des courbes de niveau indiquant différentes quantités de précipitations. Une telle carte peut être considérée comme une carte des courbes de niveau des précipitations. De nombreuses méthodes sophistiquées permettent d'estimer les caractéristiques des surfaces à partir d'un nombre limité de mesures ponctuelles. Une carte des courbes de niveau bidimensionnelle, créée à partir de la modélisation de la surface à partir de mesures ponctuelles de précipitations, peut être superposée et analysée avec toute autre carte du SIG couvrant la même zone. Cette carte, issue du SIG, peut alors fournir des informations supplémentaires, telles que la viabilité du potentiel hydroélectrique en tant que source d'énergie renouvelable . De même, un SIG peut être utilisé pour comparer d'autres ressources d'énergie renouvelable afin de déterminer le meilleur potentiel géographique pour une région.
De plus, à partir d'une série de points tridimensionnels, ou d'un modèle numérique d'élévation , il est possible de générer des courbes isoplèthes représentant les courbes de niveau, ainsi que des analyses de pente, des modèles de relief ombrés et d'autres données d'altitude. Les bassins versants peuvent être facilement définis pour un tronçon donné, en calculant toutes les surfaces contiguës et situées en amont d'un point d'intérêt donné. De même, le thalweg probable des cours d'eau intermittents et permanents peut être calculé à partir des données d'altitude du SIG.
Modélisation topologique
Un SIG peut identifier et analyser les relations spatiales présentes dans les données spatiales stockées numériquement. Ces relations topologiques permettent la modélisation et l'analyse spatiales complexes. Les relations topologiques entre entités géométriques comprennent traditionnellement l'adjacence (ce qui est adjacent à quoi), l'inclusion (ce qui englobe quoi) et la proximité (la distance entre deux éléments).
Réseaux géométriques
Les réseaux géométriques sont des réseaux linéaires d'objets permettant de représenter des entités interconnectées et d'effectuer des analyses spatiales spécifiques. Un réseau géométrique est composé d'arêtes, reliées entre elles par des points de jonction, à l'instar des graphes en mathématiques et en informatique. Comme pour les graphes, on peut attribuer un poids et un flux aux arêtes d'un réseau, ce qui permet de représenter plus précisément diverses entités interconnectées. Les réseaux géométriques sont fréquemment utilisés pour modéliser les réseaux routiers et les réseaux de services publics , tels que les réseaux d'électricité, de gaz et d'eau. La modélisation de réseaux est également couramment employée dans la planification des transports , la modélisation hydrologique et la modélisation des infrastructures.
Modélisation cartographique
Exemple d'utilisation des calques dans une application SIG. Dans cet exemple, le calque de couvert forestier (vert clair) constitue le calque inférieur, surmonté du calque topographique (courbes de niveau). Viennent ensuite les calques d'eau stagnante (étang, lac), puis d'eau courante (ruisseau, rivière), suivis du calque de limites et enfin du calque routier. L'ordre des calques est crucial pour un affichage correct du résultat final. Notez que les étangs sont superposés aux cours d'eau, ce qui permet de visualiser une ligne de cours d'eau au-dessus d'un étang.
Dana Tomlin a forgé le terme « modélisation cartographique » dans sa thèse de doctorat (1983) ; il l’a ensuite repris dans le titre de son ouvrage, * Geographic Information Systems and Cartographic Modeling * (1990). La modélisation cartographique désigne un processus de production, de traitement et d’analyse de plusieurs couches thématiques d’une même zone. Tomlin a utilisé des couches raster, mais la méthode de superposition (voir ci-dessous) est plus largement applicable. Les opérations sur les couches cartographiques peuvent être combinées en algorithmes, puis en modèles de simulation ou d’optimisation.
Superposition de carte
polygones ) crée un nouveau jeu de données vectoriel de sortie, visuellement comparable à la superposition de plusieurs cartes d'une même région. Ces superpositions sont similaires aux superpositions de diagrammes de Venn mathématiques . Une superposition d'union combine les entités géographiques et les tables d'attributs des deux entrées en une seule nouvelle sortie. Une superposition d'intersection définit la zone de chevauchement des deux entrées et conserve un ensemble de champs d'attributs pour chacune. Une superposition de différence symétrique définit une zone de sortie qui inclut la superficie totale des deux entrées, à l'exception de la zone de chevauchement.
L'extraction de données est un processus SIG similaire à la superposition vectorielle, bien qu'elle puisse être utilisée pour l'analyse de données vectorielles ou raster. Au lieu de combiner les propriétés et les caractéristiques des deux jeux de données, l'extraction de données consiste à utiliser un « masque » pour extraire les caractéristiques d'un jeu de données qui se trouvent à l'intérieur de l'étendue spatiale d'un autre jeu de données.
En analyse de données raster, la superposition des jeux de données s'effectue par un processus appelé « opération locale sur plusieurs rasters » ou « algèbre cartographique », grâce à une fonction qui combine les valeurs de la matrice de chaque raster . Cette fonction peut pondérer certaines entrées plus que d'autres à l'aide d'un « modèle d'index » qui reflète l'influence de divers facteurs sur un phénomène géographique.
Géostatistiques
Rapport d'autocorrélation spatiale généré par ArcGIS Pro pour la population des comtés américains en 2022.
La géostatistique est une branche des statistiques qui traite des données de terrain, des données spatiales à index continu. Elle fournit des méthodes pour modéliser la corrélation spatiale et prédire des valeurs en des emplacements quelconques (interpolation).
Lorsqu'on mesure un phénomène, les méthodes d'observation déterminent la précision de toute analyse ultérieure. De par la nature des données (par exemple, les schémas de circulation en milieu urbain ; les conditions météorologiques au-dessus de l'océan Pacifique), une perte de précision, constante ou variable, est toujours inévitable lors de la mesure. Cette perte de précision dépend de l'échelle et de la distribution des données collectées.
Pour déterminer la pertinence statistique de l'analyse, une moyenne est calculée afin d'inclure les points (gradients) situés en dehors de toute mesure directe et ainsi déterminer leur comportement prédit. Ceci est dû aux limitations des méthodes statistiques et de collecte de données utilisées ; une interpolation est donc nécessaire pour prédire le comportement des particules, des points et des emplacements qui ne sont pas directement mesurables.
L'interpolation est le processus de création d'une surface, généralement un jeu de données raster, à partir de données collectées en plusieurs points d'échantillonnage. Il existe différentes formes d'interpolation, chacune traitant les données différemment selon leurs propriétés. Lors de la comparaison des méthodes d'interpolation, il convient tout d'abord de déterminer si les données sources sont susceptibles de varier (approximation ou exactitude). Ensuite, il faut considérer si la méthode est subjective (interprétation humaine) ou objective. Puis, il faut examiner la nature des transitions entre les points : sont-elles abruptes ou progressives ? Enfin, il faut déterminer si la méthode est globale (elle utilise l'ensemble des données pour former le modèle) ou locale (un algorithme est alors appliqué à une petite portion de terrain).
L'interpolation est une mesure justifiée en raison d'un principe d'autocorrélation spatiale qui reconnaît que les données collectées à un emplacement donné présenteront une grande similitude, ou seront influencées par les emplacements situés à proximité immédiate.
les codes postaux , les parcelles cadastrales et les emplacements d'adresses. Un référentiel est nécessaire pour géocoder les adresses individuelles, comme un fichier d'axes de routes avec des plages d'adresses. Traditionnellement, les emplacements des adresses sont interpolés, ou estimés, en examinant les plages d'adresses le long d'un segment de route. Ces données sont généralement fournies sous forme de tableau ou de base de données. Le logiciel place ensuite un point à l'endroit approximatif où se situe l'adresse sur le segment d'axe. Par exemple, l'adresse 500 se trouvera au milieu du segment de droite allant de l'adresse 1 à l'adresse 1000. Le géocodage peut également être appliqué à des données cadastrales réelles, généralement issues des plans cadastraux. Dans ce cas, le résultat du géocodage sera un emplacement réel et non un point interpolé. Cette approche est de plus en plus utilisée pour fournir des informations de localisation plus précises.
Géocodage inverse
d'une adresse à partir de coordonnées données. Par exemple, un utilisateur peut cliquer sur l'axe médian d'une route (fournissant ainsi des coordonnées) et obtenir une estimation du numéro de maison. Ce numéro est interpolé à partir d'une plage de numéros associée à ce segment de route. Si l'utilisateur clique au milieu d'un segment allant de l'adresse 1 à l' adresse 100, la valeur renvoyée sera proche de 50. Il est important de noter que le géocodage inverse ne renvoie pas les adresses exactes, mais seulement des estimations basées sur la plage prédéfinie.
Analyse multicritères de décision
d'analyse multicritères aident les décideurs à analyser un ensemble de solutions spatiales alternatives, comme l'habitat écologique le plus approprié à la restauration, en fonction de multiples critères, tels que le couvert végétal ou la présence de routes. L'analyse multicritères utilise des règles de décision pour agréger les critères, ce qui permet de classer ou de hiérarchiser les solutions alternatives. L'utilisation des SIG dans l'analyse multicritères peut réduire les coûts et les délais liés à l'identification des sites potentiels de restauration.
exploration de données SIG
Les SIG, ou exploration de données spatiales, consistent en l'application de méthodes d'exploration de données aux données spatiales. L'exploration de données, qui est la recherche partiellement automatisée de modèles cachés dans de grandes bases de données, offre des avantages considérables pour la prise de décision basée sur les SIG appliqués. La surveillance environnementale en est un exemple typique . Une caractéristique de ces applications est que la corrélation spatiale entre les mesures de données nécessite l'utilisation d'algorithmes spécialisés pour une analyse plus efficace des données. La modélisation spatiale basée sur les SIG est de plus en plus souvent combinée à des techniques d'apprentissage automatique pour identifier et prévoir les inégalités régionales en matière de santé et de résultats sociaux, notamment l'accès aux soins et la couverture d'assurance.
Sortie de données et cartographie
La cartographie est la conception et la production de cartes, ou représentations visuelles de données spatiales. La grande majorité de la cartographie moderne est réalisée à l'aide d'ordinateurs, généralement grâce à un SIG (Système d'Information Géographique), mais la production de cartes de qualité peut également être obtenue en important des calques dans un logiciel de conception pour les affiner. La plupart des logiciels SIG offrent à l'utilisateur un contrôle étendu sur l'apparence des données.
Le travail cartographique remplit deux fonctions majeures :
Premièrement, ce système produit des graphiques, affichés à l'écran ou imprimés, qui présentent les résultats d'analyse aux décideurs en matière de ressources. Des cartes murales et autres graphiques peuvent être générés, permettant ainsi à l'utilisateur de visualiser et de comprendre les résultats d'analyses ou de simulations d'événements potentiels. Les serveurs de cartes Web facilitent la diffusion des cartes générées via les navigateurs Web grâce à diverses implémentations d'interfaces de programmation d'applications Web ( AJAX , Java , Flash , etc.).
Deuxièmement, d'autres informations peuvent être générées pour la base de données en vue d'analyses ou d'utilisations ultérieures. Par exemple, une liste de toutes les adresses situées à moins de 1,6 km d'un déversement toxique.
L'archéochrome est une nouvelle méthode de représentation des données spatiales. Il s'agit d'un motif thématique appliqué à une carte 3D, représentant un bâtiment ou une partie de bâtiment. Il est particulièrement adapté à la visualisation des données de déperdition thermique.
Représentation du terrain
Une carte topographique traditionnelle rendue en 3D
Les cartes traditionnelles sont des abstractions du monde réel, un échantillon d'éléments importants représentés sur une feuille de papier à l'aide de symboles figuratifs. Les utilisateurs de cartes doivent interpréter ces symboles. Les cartes topographiques représentent le relief du terrain par des courbes de niveau ou par un relief ombré .
Aujourd'hui, les techniques de visualisation graphique, comme l'ombrage basé sur l'altitude dans un SIG, permettent de mettre en évidence les relations entre les éléments d'une carte, facilitant ainsi l'extraction et l'analyse des informations. Par exemple, deux types de données ont été combinés dans un SIG pour produire une vue en perspective d'une portion du comté de San Mateo , en Californie.
Le modèle numérique d'élévation , constitué d'altitudes de surface enregistrées sur une grille horizontale de 30 mètres, montre les hautes altitudes en blanc et les basses altitudes en noir.
L' image Landsat Thematic Mapper qui l'accompagne montre une image infrarouge en fausses couleurs regardant vers le bas la même zone en pixels de 30 mètres, ou éléments d'image, pour les mêmes points de coordonnées, pixel par pixel, que les informations d'altitude.
Un SIG a été utilisé pour enregistrer et combiner les deux images afin de générer une vue en perspective tridimensionnelle de la faille de San Andreas , à partir des pixels de l'image Thematic Mapper, ombrée selon l'altitude du relief . L' affichage SIG dépend du point de vue de l' observateur et de l'heure de la journée, afin de restituer correctement les ombres portées par le soleil à ces latitudes, longitudes et heures.
Cartographie Web
propriétaires Google Maps et Bing Maps , ainsi que l' alternative libre et open source OpenStreetMap . Ces services offrent au public un accès à d'énormes quantités de données géographiques, perçues par de nombreux utilisateurs comme aussi fiables et utilisables que les informations professionnelles. Par exemple, pendant la pandémie de COVID-19, des cartes web hébergées sur des tableaux de bord ont été utilisées pour diffuser rapidement les données relatives aux cas au grand public.
Certains de ces outils, comme Google Maps et OpenLayers , proposent une interface de programmation (API) permettant aux utilisateurs de créer des applications personnalisées. Ces outils offrent généralement des cartes routières, des images aériennes/satellites, le géocodage, des fonctions de recherche et de calcul d'itinéraires. La cartographie web a également révélé le potentiel du crowdsourcing de données géographiques dans des projets tels qu'OpenStreetMap , un projet collaboratif visant à créer une carte du monde libre et modifiable. Il a été démontré que ces projets hybrides apportent une valeur ajoutée et des avantages considérables aux utilisateurs finaux, au-delà de ce que permettent les informations géographiques traditionnelles.
La cartographie web présente également des inconvénients. Elle permet la création et la diffusion de cartes par des personnes sans formation cartographique adéquate. Il en résulte des cartes qui ignorent les conventions cartographiques et sont potentiellement trompeuses ; une étude a ainsi révélé que plus de la moitié des tableaux de bord COVID-19 des gouvernements des États américains ne respectaient pas ces conventions.
Utilisations
la gestion des ressources . La recherche, définie au sens le plus large possible, vise à découvrir de nouvelles connaissances. Elle peut être menée par une personne se considérant comme scientifique, mais aussi par toute personne cherchant à comprendre le fonctionnement du monde. Une étude aussi concrète que l'analyse des raisons de l'échec d'un site commercial relève de la recherche en ce sens. La gestion (parfois appelée applications opérationnelles), également définie au sens le plus large possible, consiste à appliquer les connaissances pour prendre des décisions pratiques sur l'utilisation des ressources dont on dispose afin d'atteindre ses objectifs. Ces ressources peuvent être le temps, le capital, la main-d'œuvre, le matériel, les terres, les gisements minéraux, la faune, etc.
Niveau de décision : Les applications de gestion sont classées en trois catégories : stratégique , tactique et opérationnelle , une classification courante en gestion d’entreprise . Les tâches stratégiques sont des décisions à long terme et visionnaires concernant les objectifs à atteindre, comme par exemple, l’opportunité pour une entreprise de se développer. Les tâches tactiques sont des décisions à moyen terme relatives à la manière d’atteindre les objectifs stratégiques, comme l’élaboration d’un plan de gestion du pâturage par une forêt domaniale. Les décisions opérationnelles concernent les tâches quotidiennes, comme par exemple, trouver le chemin le plus court pour se rendre à une pizzeria.
Le SIG est utilisé dans de nombreux secteurs : administrations publiques (à tous les niveaux, du municipal à l’international), entreprises (de toutes tailles et de tous types), organisations à but non lucratif (y compris les églises), ainsi que pour des particuliers . Ce dernier usage a pris une importance croissante avec l’essor des smartphones géolocalisés.
Durée de vie : Les implémentations SIG peuvent être axées sur un projet ou sur l’ entreprise . Un SIG de projet vise à accomplir une tâche unique : la collecte et l’analyse des données, ainsi que la production des résultats, sont réalisées indépendamment de tout autre projet mené par la personne concernée. L’implémentation est par nature transitoire. Un SIG d’entreprise est conçu comme une institution permanente, comprenant une base de données soigneusement élaborée pour être utile à divers projets sur plusieurs années. Il est susceptible d’être utilisé par de nombreuses personnes au sein de l’entreprise, certaines étant employées à temps plein uniquement pour sa maintenance.
Intégration : Traditionnellement, la plupart des applications SIG étaient autonomes et utilisaient des logiciels, du matériel, des données et des professionnels spécialisés. Bien que ces applications restent courantes aujourd’hui, les applications intégrées ont connu une forte augmentation, la technologie géospatiale étant désormais intégrée à des applications d’entreprise plus vastes. Elles partagent l’infrastructure informatique, les bases de données et les logiciels, souvent grâce à des plateformes d’intégration d’entreprise telles que SAP .
La mise en œuvre d'un SIG est souvent motivée par des exigences juridictionnelles (par exemple, celles d'une ville), d'un objectif ou d'une application. Généralement, un SIG peut être conçu sur mesure pour une organisation. Par conséquent, un SIG déployé pour une application, une juridiction, une entreprise ou un objectif donné peut ne pas être nécessairement interopérable ou compatible avec un SIG développé pour une autre application, juridiction, entreprise ou un autre objectif.
Les SIG se diversifient également dans les services géolocalisés , qui permettent aux appareils mobiles compatibles GPS d'afficher leur position par rapport à des objets fixes (restaurant le plus proche, station-service, borne d'incendie) ou à des objets mobiles (amis, enfants, voiture de police), ou de transmettre leur position à un serveur central pour affichage ou autre traitement.
Les SIG sont également utilisés en marketing numérique et en référencement pour la segmentation de l'audience en fonction de la localisation.
Sujets
Sciences aquatiques
Site web ArcGIS Server représentant la végétation aquatique submergée
Les SIG ont été appliqués au suivi à long terme de l’évolution du littoral et de l’érosion côtière, intégrant des photographies aériennes historiques, des images satellites et des relevés GPS pour quantifier les taux de recul et évaluer la vulnérabilité côtière.
La réponse géospatiale aux catastrophes utilise des données et des outils géospatiaux pour aider les secouristes, les gestionnaires de territoires et les scientifiques à intervenir en cas de catastrophe. Les données géospatiales peuvent contribuer à sauver des vies, à réduire les dégâts et à améliorer la communication. Elles peuvent être utilisées par des autorités fédérales comme la FEMA pour créer des cartes montrant l'étendue d'une catastrophe, la localisation des personnes sinistrées et des débris, élaborer des modèles permettant d'estimer le nombre de personnes à risque et l'ampleur des dégâts, améliorer la communication entre les secouristes, les gestionnaires de territoires et les scientifiques, et aider à déterminer où allouer les ressources, telles que les équipes médicales d'urgence ou les équipes de recherche et de sauvetage, à planifier les itinéraires d'évacuation et à identifier les zones les plus exposées.
Aux États-Unis, le Bureau géospatial de réponse de la FEMA est chargé de la collecte, de l'analyse et du développement des produits SIG de l'agence afin d'améliorer la connaissance de la situation et de faciliter les interventions et la prise de décision. La mission du Bureau est d'aider les décideurs à comprendre l'ampleur et la portée des impacts des catastrophes afin qu'ils puissent acheminer les ressources vers les communautés qui en ont le plus besoin.
gouvernance environnementale
W. Craig Fugate, administrateur de l'Agence fédérale américaine de gestion des urgences (FEMA), s'exprime lors d'un séminaire de la Croix-Rouge sur l'utilisation des médias sociaux en cas de catastrophes naturelles. Les SIG ont un rôle essentiel à jouer dans ce type d'intervention.
Les systèmes d'information géographique (SIG) sont des outils couramment utilisés pour la gestion, la modélisation et la planification environnementales. Selon la définition simple de Michael Goodchild , un SIG est « un système informatique permettant de traiter des informations géographiques sous forme numérique » . Ces dernières années, il a joué un rôle essentiel dans les approches participatives, collaboratives et ouvertes en matière de données . Les évolutions sociales et technologiques ont placé les enjeux numériques et environnementaux au cœur des politiques publiques, des médias internationaux et du secteur privé.
contamination environnementale
L'utilisation des SIG dans le domaine de la contamination environnementale consiste à cartographier et analyser les contaminants présents sur Terre, notamment la contamination des sols , la pollution de l'eau et la pollution atmosphérique . Différentes méthodes SIG permettent d'effectuer une analyse spatiale des polluants afin de les identifier, de les surveiller et de les évaluer. Les SIG peuvent recourir à d'autres technologies pour affiner leur processus d'analyse, telles que la télédétection , le LIDAR , la géo-intelligence artificielle (GeoAI) et les SIG Web. L'une de ces méthodes repose sur l'interpolation spatiale, qui permet une approche plus efficace de la remédiation et de la surveillance des sols et des eaux contaminés. La contamination par les métaux et autres contaminants est devenue un problème environnemental majeur après l'industrialisation dans de nombreuses régions du monde. De ce fait, les agences environnementales sont chargées de la remédiation, de la surveillance et de la réduction de la contamination des sols . Les SIG sont utilisés pour surveiller la présence de métaux sur Terre et identifier les sites à haut risque nécessitant une remédiation et une surveillance accrues.
Cartographie géologique
provinces géologiques mondiales cartographiéesCapture d'écran d'une carte structurale générée par un logiciel de cartographie géologique pour un gisement de gaz et de pétrole de 2 590 mètres de profondeur dans le champ d'Erath, paroisse de Vermilion , comté d'Erath , Louisiane . L'espace horizontal, près du haut de la carte, indique une faille . Cette faille se situe entre les courbes de niveau bleu/vert et les courbes de niveau violet/rouge/jaune. La fine courbe de niveau circulaire rouge au centre de la carte indique le toit du gisement de pétrole. Le gaz flottant au-dessus du pétrole, cette fine courbe de niveau rouge marque la zone de contact gaz/pétrole.
Une carte géologique est une carte spécialisée conçue pour représenter diverses caractéristiques géologiques. Les unités lithologiques ou strates géologiques sont représentées par des couleurs ou des symboles. Les plans de stratification et les structures telles que les failles et les plis sont indiqués par des symboles de direction et de pendage, permettant de visualiser les reliefs en trois dimensions. La cartographie géologique est un processus d'interprétation qui fait appel à de multiples types d'informations, allant des données analytiques aux observations directes, le tout étant synthétisé et consigné par le géologue . Traditionnellement, les observations géologiques sont notées sur papier, que ce soit sur des fiches standardisées, dans un carnet ou sur une carte .
Exploration géologique et évaluation des ressources minérales.
En géologie, les SIG sont de plus en plus utilisés pour l'évaluation et la prévision des gisements minéraux, notamment des ressources minérales courantes (RMC) telles que les sables de construction, les argiles et la tourbe. Contrairement aux données de forage denses et uniformément réparties typiques de l'exploration pétrolière et gazière, l'exploration des RMC repose souvent sur des ensembles de données épars et inégalement répartis. Cela nécessite des algorithmes SIG spécialisés, par exemple ceux basés sur les diagrammes de Voronoï, pour créer des modèles géologiques tridimensionnels à partir d'informations incomplètes. Au-delà de la modélisation, les SIG permettent une évaluation complète en intégrant des paramètres géologiques et industriels — tels que le taux de couverture et l'épaisseur du gisement — aux données d'occupation des sols afin de classer et de hiérarchiser les sites miniers potentiels en fonction de leur acceptabilité économique et environnementale. Une étude de cas de cette approche intégrée a été présentée pour la région de Brest en Biélorussie, où un modèle numérique régional a été créé pour prévoir et évaluer de nouveaux gisements de minéraux non métalliques, en tenant compte à la fois des contraintes géologiques et de la réglementation d'utilisation des sols pour l'exploitation minière à ciel ouvert .
Renseignements géospatiaux
le renseignement géospatial (GEOINT) et la sécurité nationale des États-Unis . Ces technologies permettent de gérer, d'analyser et de produire efficacement des données géospatiales , de combiner le GEOINT avec d'autres formes de collecte de renseignements et de réaliser des analyses et des visualisations poussées de ces données. Ainsi, les SIG produisent un GEOINT plus fiable et à jour, réduisant l'incertitude pour les décideurs. Grâce à leur accessibilité via le Web, les SIG permettent à un utilisateur de collaborer en permanence avec un décideur, où qu'il soit dans le monde, pour résoudre ses problèmes liés au GEOINT et à la sécurité nationale. Parmi les nombreux logiciels SIG utilisés dans le domaine du GEOINT et de la sécurité nationale, on peut citer Google Earth , ERDAS Imagine , GeoNetwork (logiciel libre) et Esri ArcGIS .
Histoire
système d'information géographique historique (SIG historique ou SIG-H) est un système d'information géographique qui permet d'afficher, de stocker et d'analyser des données relatives à des territoires passés et de suivre leur évolution dans le temps. C'est un outil de géographie historique .
L’utilisation de cartes numériques générées par les SIG a également influencé le développement d’un domaine académique connu sous le nom d’humanités spatiales.
Hydrologie
hydrologie pour l'étude et la gestion des ressources en eau terrestres . Le changement climatique et la demande croissante en eau exigent une meilleure gestion de cette ressource vitale. L'eau, dont la présence varie dans l'espace et le temps au cours du cycle hydrologique , est particulièrement étudiée à l'aide des SIG. Alors que les anciens SIG offraient une représentation géospatiale statique des caractéristiques hydrologiques, les plateformes SIG actuelles sont de plus en plus dynamiques, réduisant ainsi l'écart entre les données historiques et la réalité hydrologique actuelle.
Les systèmes d'information géographique (SIG) dédiés aux savoirs traditionnels constituent un ensemble d'outils conçus pour documenter et exploiter les savoirs traditionnels des communautés du monde entier. Ces SIG se distinguent des cartes cognitives classiques par leur capacité à exprimer les relations environnementales et spirituelles entre entités réelles et conceptuelles. Cet ensemble d'outils est axé sur la préservation culturelle, les conflits fonciers, la gestion des ressources naturelles et le développement économique.
Autres aspects
Normes de l'Open Geospatial Consortium
Open Geospatial Consortium (OGC) est un consortium international regroupant 384 entreprises, agences gouvernementales, universités et particuliers. Ce consortium travaille par consensus à l’élaboration de spécifications de géotraitement accessibles au public. Les interfaces et protocoles ouverts définis par les spécifications OpenGIS favorisent l’interopérabilité des solutions qui intègrent la géolocalisation au Web, aux services sans fil et de géolocalisation, ainsi qu’aux technologies de l’information courantes. Ces solutions permettent aux développeurs de rendre les informations et services spatiaux complexes accessibles et utilisables avec toutes sortes d’applications. Parmi les protocoles de l’Open Geospatial Consortium figurent le Web Map Service (WMS ) et le Web Feature Service (WFS ) .
L'OGC classe les produits SIG en deux catégories, selon le degré de conformité et de précision du logiciel aux spécifications de l'OGC.
Les normes OGC facilitent la communication entre les outils SIG.
Les produits conformes sont des logiciels qui respectent les spécifications OpenGIS de l'OGC . Lorsqu'un produit a été testé et certifié conforme par le programme de tests de l'OGC, il est automatiquement enregistré comme « conforme » sur ce site.
Les produits d'implémentation sont des logiciels qui mettent en œuvre les spécifications OpenGIS mais n'ont pas encore passé de test de conformité. Les tests de conformité ne sont pas disponibles pour toutes les spécifications. Les développeurs peuvent enregistrer leurs produits comme implémentant des spécifications provisoires ou approuvées, bien que l'OGC se réserve le droit d'examiner et de vérifier chaque inscription. La Corée du Sud a mis en place un Système national d'information géographique (SNI) de haut niveau, conforme à ces normes internationales, intégrant diverses données spatiales via des plateformes telles que « V-World ». Ce service de plateforme ouverte fournit des cartes 3D haute résolution et des informations foncières, constituant une infrastructure essentielle pour le développement des villes intelligentes et l'administration publique.
Ajouter la dimension du temps
radiomètre avancé à très haute résolution (AVHRR). Ce système de capteurs détecte les quantités d'énergie réfléchies par la surface terrestre dans différentes bandes spectrales pour des surfaces d'environ imageur à résolution moyenne (MODIS) ne sont que deux exemples parmi les nombreux systèmes de capteurs utilisés pour l'analyse de la surface terrestre.
Outre l'intégration de la dimension temporelle dans les études environnementales, les SIG sont également explorés pour leur capacité à suivre et modéliser les déplacements des populations dans leurs activités quotidiennes. Un exemple concret de progrès dans ce domaine est la récente publication par le Bureau du recensement des États-Unis de données démographiques temporelles . Dans cet ensemble de données, la population des villes est présentée pour les heures de jour et de nuit, mettant en évidence les schémas de concentration et de dispersion liés aux déplacements domicile-travail en Amérique du Nord. Le traitement et la production des données nécessaires à leur élaboration n'auraient pas été possibles sans les SIG.
L’utilisation de modèles pour projeter dans le temps les données contenues dans un SIG a permis aux planificateurs de tester des décisions politiques à l’aide de systèmes d’aide à la décision spatiale .
Sémantique
Les outils et technologies issus du Web sémantique du Consortium World Wide Web s'avèrent utiles pour résoudre les problèmes d'intégration de données dans les systèmes d'information. En conséquence, ces technologies ont été proposées comme moyen de faciliter l'interopérabilité et la réutilisation des données entre les applications SIG , ainsi que pour permettre de nouveaux mécanismes d'analyse.
Les ontologies sont un élément clé de cette approche sémantique, car elles permettent une spécification formelle et lisible par machine des concepts et des relations d'un domaine donné. Ceci permet à un SIG de se concentrer sur la signification voulue des données plutôt que sur leur syntaxe ou leur structure. Par exemple, considérer qu'un type de couverture terrestre classé comme « arbres à feuilles caduques » dans un jeu de données est une spécialisation ou un sous-ensemble du type de couverture terrestre « forêt » dans un autre jeu de données, classé de manière plus générale, peut aider un SIG à fusionner automatiquement les deux jeux de données sous la classification de couverture terrestre la plus générale. Des ontologies préliminaires ont été développées dans des domaines liés aux applications SIG, comme l'ontologie d'hydrologie développée par l' Ordnance Survey au Royaume-Uni et les ontologies SWEET développées par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA . De plus, des ontologies plus simples et des normes de métadonnées sémantiques sont proposées par le groupe Geo Incubator du W3C pour représenter les données géospatiales sur le Web. GeoSPARQL est une norme développée par l'Ordnance Survey, l'United States Geological Survey , Ressources naturelles Canada , l'Organisation de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth d'Australie et d'autres organismes pour prendre en charge la création d'ontologies et le raisonnement à l'aide de littéraux OGC bien compris (GML, WKT), de relations topologiques (Simple Features, RCC8, DE-9IM), de RDF et des protocoles de requête de base de données SPARQL .
Les résultats de recherches récentes dans ce domaine peuvent être vus dans la Conférence internationale sur la sémantique géospatiale et l' atelier Terra Cognita – Directions vers le Web sémantique géospatial
Implications sociétales
de droit d'auteur , de protection de la vie privée et de censure. Une approche sociale plus optimiste de l'adoption des SIG consiste à les utiliser comme outil de participation citoyenne.
Dans le domaine de l'éducation
la cognition spatiale , mais les données bibliographiques et statistiques sont insuffisantes pour évaluer concrètement l'étendue de leur utilisation dans l'éducation à travers le monde, même si leur expansion a été plus rapide dans les pays où les programmes scolaires les mentionnent.
Les SIG semblent offrir de nombreux avantages pour l'enseignement de la géographie, car ils permettent une analyse fondée sur des données géographiques réelles et contribuent à susciter des questions de recherche chez les enseignants et les élèves en classe. Ils contribuent également à l'amélioration de l'apprentissage en développant la pensée spatiale et géographique et, dans de nombreux cas, la motivation des élèves.
Des cours de SIG sont également proposés par des établissements d'enseignement.
Au niveau des collectivités locales
Les SIG ont fait leurs preuves en tant que technologie organisationnelle, d'entreprise et pérenne qui continue de transformer le fonctionnement des administrations locales. Les organismes gouvernementaux ont adopté la technologie SIG comme méthode pour mieux gérer les domaines suivants de l'organisation gouvernementale :
Les services de développement économique utilisent des outils de cartographie SIG interactifs, combinés à d'autres données (démographie, population active, entreprises, industrie, talents) et à une base de données de sites et bâtiments commerciaux disponibles, afin d'attirer les investissements et de soutenir les entreprises existantes. Les entreprises chargées de choisir leur implantation peuvent ainsi sélectionner les communes et les sites les plus adaptés à leurs critères de réussite.
opérations de sécurité publique telles que les centres d’opérations d’urgence, la prévention des incendies, la technologie mobile et la répartition de la police et du shérif, et la cartographie des risques météorologiques.
Les services des parcs et des loisirs et leurs fonctions en matière d'inventaire des biens, de conservation des terres, de gestion des terres et de gestion des cimetières
Travaux publics et services publics, suivi du drainage des eaux potables et pluviales, des infrastructures électriques, des projets d'ingénierie, et des infrastructures et tendances des transports publics
Gestion du réseau de fibre optique pour les ressources du réseau interdépartemental
Données analytiques et démographiques scolaires, gestion des actifs et planification de l'amélioration/de l'expansion
L’ initiative d’ouverture des données incite les collectivités locales à tirer parti de technologies telles que les SIG (Systèmes d’Information Géographique), car celles-ci répondent aux exigences du modèle de transparence des données ouvertes et du gouvernement ouvert . Grâce aux données ouvertes, les collectivités locales peuvent mettre en œuvre des applications et des portails en ligne pour la participation citoyenne, permettant aux citoyens de consulter des informations foncières, de signaler les nids-de-poule et les problèmes de signalisation, de visualiser et de trier les parcs par catégorie, de consulter en temps réel les taux de criminalité et l’état des réparations des services publics, et bien plus encore. Cette incitation à l’ouverture des données au sein des administrations publiques stimule la croissance des dépenses des collectivités locales en matière de SIG et de gestion des bases de données.
En archéologie
Les SIG sont un outil important en archéologie depuis le début des années 1990.
Les relevés et la documentation sont importants pour la préservation et l'archéologie, et les SIG rendent ces recherches et travaux de terrain efficaces et précis.
Dans le domaine de la conservation et de la gestion du patrimoine culturel
Les SIG sont également utilisés pour faciliter la gestion de la conservation des sites du patrimoine culturel. Ils aident les organismes de conservation à suivre les impacts du développement, des conflits et des changements climatiques sur les ressources archéologiques et autres ressources culturelles. Certains organismes publics utilisent des logiciels SIG pour évaluer les impacts potentiels des constructions et autres aménagements et intègrent ces évaluations dans les processus d’autorisation et d’atténuation.
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