Système d'information géographique - Définition

Un système d'information géographique (SIG) est un outil informatique permettant d'organiser et présenter des données alphanumériques spatialement référencées, ainsi que de produire des plans et cartes. Ses usages couvrent les activités géomatiques de traitement et diffusion de l'information géographique. La représentation est généralement en deux dimensions, mais un rendu 3D ou une animation présentant des variations temporelles sur un territoire sont possibles.

Le rôle du système d'information est de proposer une représentation plus ou moins réaliste de l'environnement spatial en se basant sur des primitives graphiques telles que des points, des vecteurs (arcs), des polygones ou des maillages (raster). À ces primitives sont associées des informations qualitatives telles que la nature (route, voie ferrée, forêt, etc.) ou toute autre information contextuelle (nombre d'habitants, type ou superficie d'une commune par ex.).

L'information géographique peut être définie comme l'ensemble de la description d'un objet et de sa position géographique à la surface de la Terre.

En France, dans son acception courante, le terme fait référence aux outils logiciels. Cependant, le concept englobe l'ensemble constitué par les logiciels, les données, le matériel et les savoir-faire liés à l'utilisation de ces derniers. On peut aussi parler de système d'information à référence spatiale (SIRS) pour les données et leur structuration. L'acronyme SIT (système d'information sur le territoire) est aussi utilisé dans quelques pays francophones. Enfin, les sigles BDU (banque de données urbaine), voire BDT (banque de données sur le territoire), plus anciens, peuvent se rencontrer ici et là.

Historique

Le développement des SIG dans la science et l’aménagement du territoire a été permis par l'avancée de la technologie informatique, et encouragé par prise de conscience environnementale et de nouvelles approches scientifiques transdisciplinaires, intégratrices. Depuis les années 1970, notamment depuis le sommet de la Terre à Rio de Janeiro en 1992 qui a généré une demande croissante de cartes présentant l'état de l'environnement et utiles pour mesurer les impacts du développement.

Maguire et al. (1991) distinguent trois périodes principales dans l'évolution des SIG :

• fin des années 1950 – milieu des années 1970 : début de l’informatique, premières cartographies automatiques ;
• milieu des années 1970 - début des années 1980 : diffusion des outils de cartographie automatique/SIG dans les organismes d’État (armée, cadastre, services topographiques, ...) ;
• depuis les années 1980 : croissance du marché des logiciels, développements des applications sur PC, mise en réseau (bases de données distribuées, avec depuis les années 1990, des applications sur Internet) et une banalisation de l'usage de l'information géographique (cartographie sur Internet, calcul d'itinéraires routiers, utilisation de solutions embarquées liées au GPS... ).

Quelques concepts

Les composantes du SIG

Un SIG est constitué de cinq composants majeurs :

Les logiciels

Ils assurent les 5 fonctions suivantes (parfois regroupées sous le terme des ‘5A’):

• saisie des informations géographiques sous forme numérique (Acquisition)
• gestion de base de données (Archivage)
• manipulation et interrogation des données géographiques (Analyse)
• mise en forme et visualisation (Affichage)
• représentation du monde réel (Abstraction).

Les données

Elles sont la base des SIG. Les données géographiques sont importées à partir de fichiers ou saisies par un opérateur. Voir le paragraphe suivant.

Les matériels informatiques

Le traitement des données se fait à l'aide des logiciels sur un ordinateur. Des systèmes client-serveur en intranet, extranet voire via Internet facilitant ensuite et de plus en plus la diffusion des résultats.

Les savoir-faire

Un SIG fait appel à à une connaissance technique et à divers savoir-faire et donc divers métiers qui peuvent être effectués par une ou plusieurs personnes. Le " sigiste " doit mobiliser des compétences en géodésie (connaissance des concepts de système de référence et de système de projection), en analyse des données, des processus et de modélisation (analyse Merise, langage UML par exemple), en traitement statistique, en sémiologie graphique et cartographique, en traitement graphique. Il doit savoir traduire en requêtes informatiques les questions qu'on lui pose.

Les utilisateurs

Comme tous les utilisateurs de SIG ne sont pas forcément des spécialistes, un SIG propose une série de boîtes à outils que l’utilisateur assemble pour réaliser son projet. N’importe qui peut, un jour ou l’autre, être amené à utiliser un SIG. Cela dit, on ne s'improvise pas géomaticien : une bonne connaissance des données manipulées et de la nature des traitements effectués par les logiciels permet seule d'interpréter convenablement la qualité des résultats obtenus.

Questions auxquelles peuvent répondre les SIG, et limites

Un SIG doit répondre à cinq questions, quel que soit le domaine d’application :

• Où : où se situe le domaine d’étude et quelle est son étendue géographique ?
• Quoi : quels objets peut-on trouver sur l’espace étudié ?
• Comment : comment les objets sont-ils répartis dans l’espace étudié, et quelles sont leurs relations ? C’est l’analyse spatiale.
• Quand : quel est l’âge d’un objet ou d’un phénomène ? C’est l’analyse temporelle.
• Et si : que se passerait-il s’il se produisait tel événement ?

Les SIG ont comme limites la pertinence, la richesse, et l'occurence de mise à jour de leurs bases de données, mais aussi parfois les restrictions d'accessibilité ainsi que les droits d'auteur sur certaines données et informations qui peuvent empêcher la diffusion de cartes, ou empêcher leur réalisation pour les travaux partageant les données de plusieurs SIG. L'accessibilité peut également soufrir de mesures prises pour protéger des entités particulières lorsque la taille de l'échantillon est trop petite (secret statistique), ou par la présence sur une couche de données d'informations stratégiques et/ou protégées. Enfin certaines requêtes demandent un temps ou une puissance de calcul non disponibles.

Les données du SIG

Les données géographiques possèdent quatre composantes :

• les données géométriques renvoient à la forme et à la localisation des objets ou phénomènes ;
• les données descriptives (qui font partie des données attributaires) renvoient à l'ensemble des attributs descriptifs des objets et phénomènes à l'exception de la forme et de la localisation ;
• les données graphiques renvoient aux paramètres d'affichage des objets (type de trait, couleur...) ;
• les métadonnées associées, c’est-à-dire les données sur les données (date d'acquisition, nom du propriétaire, méthodes d'acquisition...).

Les données attributaires

Il s'agit de données associées à un objet ou une localisation géographique, soit pour décrire un objet géographique, soit pour localiser des informations : nom d'une route, type d'un bâtiment localisé par son adresse, nombre d'habitants d'un immeuble localisé par ses coordonnées Lambert, débit d'un cours d'eau, tension d'une ligne de transport d'énergie, type d'arbres dans un verger localisé par sa parcelle, etc. Les données attributaires sont reliées à la géométrie de l'objet.

Les objets géographiques

Trois types d’entités géographiques peuvent être représentés :

• le point (x,y) ou ponctuel ;
• la ligne ((x1,y1), ..., (xn, yn)) ou linéaire ;
• le polygone ou surfacique.

À l'heure actuelle, aucun SIG ne gère complètement les polyèdres, ou volumiques. Dans le meilleur des cas, celui des logiciels dits 2D½, à un point (x,y) peut être associé une cote (z) et une seule.

Deux modes de représentations sont possibles :

• vectoriel (format vecteur) : les objets sont représentés par des points, des lignes, des polygones ou des polygones à trous ;
• matriciel (format raster) : il s’agit d’une image, d’un plan ou d’une photo numérisés et affichés dans le SIG en tant qu'image.

Un système de coordonnées terrestres (sphérique ou projectif) permet de référencer les objets dans l'espace et de positionner l'ensemble des objets les uns par rapport aux autres. Les objets sont généralement organisés en couches, chaque couche rassemblant l'ensemble des objets homogènes (bâti, rivières, voirie, parcelles, etc.).

==> Montrer un exemple d'organisation en couches.

Exemples de données " raster " :

• Une orthophotographie est une image obtenue par numérisation d’un cliché aérien argentique (ou, maintenant, prise de vue numérique) que l’on a corrigée des déformations dues :
  • au relief du terrain photographié,
  • à la distorsion de l’appareil photographique,
  • à l’inclinaison de la prise de vue.
• Un scan était une image scannée à partir d'une carte papier. Les plus connus sont la série des Scan 25, 100 et 250 issus des cartes 1:25000, 1:100000 et 1:250000 de l'IGN.

Topologie

Un des avantages des SIG est que les relations entre les objets peuvent être calculées et donner naissance à des points d'intersection. C'est la topologie. Ceci permet d'éviter la répétition d'objets superposés. Une parcelle bordant une route aura les mêmes sommets que ceux définis pour la route.

Relation Objets/Données attributaires

Le géo-référencement est la technique de mise en relation organisée des objets géographiques et des données attributaires. Il suppose la mise en place dans le SIG d'un système de repérants normés, dont le rôle est l'équivalent des dépendances fonctionnelles dans les bases de données relationnelles. Ainsi des données alphanumériques, issues de fichiers externes au SIG lui-même, pourront être croisées avec les informations géographiques du SIG, donnant lieu à des usages de géoanalyse.

Les métadonnées

Les données manipulées par un SIG viennent de sources et bases de données diverses. Une organisation qui se dote d'un tel système doit avoir à cœur de maîtriser ces sources, de façon à s'assurer :

• qu'elle est bien au fait de l'ensemble des couches de données disponibles dans l'organisation,
• qu'elle peut se fier aux résultats obtenus lors de leur utilisation,
• qu'elle en maîtrise la gestion interne,
• qu'elle en maîtrise les coûts d'acquisition et de mise à jour,
• qu'elle est en mesure, le cas échéant, de fournir tout ou partie de ses données à des tiers, en donnant une visibilité suffisante sur la qualité de la fourniture.

C'est pourquoi toute source de données géographiques ne se limite pas à son contenu attributaire et géographique, mais est accompagnée d'informations caractérisant la source elle-même, c'et à dire de données sur les données (on les appelle métadonnées).

Quelques exemples de métadonnées (parmi beaucoup d'autres) :

• Description générale
  • description et nature des données
  • système de projection et étendue géographique
  • organisme producteur

• Qualité des données :
  • date de saisie ou de validité - si une donnée est ancienne par rapport aux évolutions des entités qu'elle représente, on peut toujours la faire intervenir dans des calculs, mais les résultats seront à interpréter avec prudence ;
  • précision de la saisie - croiser des données de qualité centimétrique avec des données de qualité hectométrique ne donne jamais que des résultats d'une précision hectométrique !

• Gestion interne
  • Responsable et localisation
  • date d'acquisition
  • Fréquence de mise à jour
  • date de dernière mise à jour

L'ensemble de ces informations doit pouvoir être facilement accessible et partageable par tous les acteurs intervenant à quelque niveau que ce soit dans le cycle de vie des données au sein de l'organisation. La définition d'un porte-feuille de métadonnées (registre de métadonnées) reste un enjeu pour toute organisation qui fait de son SIG une pièce importante de son activité, et ce qu'elle soit fournisseur de données ou simple utilisatrice.

Afin de faciliter les échanges de métadonnées, elles peuvent être structurées en fonction de la norme ISO 19115. Ce travail de normalisation devrait permettre la constitution de grands annuaires de données géographiques, qui permettront une utilisation optimale de ces dernières.

Quelques logiciels SIG

Exemple de bases de données / référentiels

• Corine Land Cover (occupation du sol)
• Plan Cadastral Informatisé "PCI-vecteur" (propriété de la DGI)
• BD CARTO : Première base de données vectorielles produite par IGN à partir de ses cartes au 1/50 000. La BD Carto propose une dizaine de couches d'informations allant de l'occupation du sol au réseau routier et à la toponynie.
• BD TOPO : Composante topographique du Référentiel à grande échelle (RGE). Base de données de précision métrique et 3D , elle précise les données disponibles sur BD Carto. Elle sera la base de référence des cartes IGN au 1/25 000.
• BD ALTI : Base de données des courbes de niveaux. On parle également de MNT ou modèle numérique de terrain.
• BD ORTHO : Composante orthophotographique du RGE. La couverture nationale est maintenant terminée avec un pixel de 50 cm.
• BD NYME. La BD Nyme est la base de données des toponymes (nom des lieux-dits) gérée par IGN (intégrée dans la BD Topo)
• BD Adresse : Troisième composante du RGE, cette base de données géoréférence les adresses postales et fiscales.
• BD Parcellaire : Dernière composante du RGE, la BD Parcellaire assure le continuum spatial entre les différents planches cadastrales scannées ou vectorisées.
• GTopo 30
• Cartes géologiques au 1/50 000 produites par le BRGM
• Données et référentiels sur l'eau (Stations de mesure, Ouvrages liés à l'eau, Cours d'eau BDCarthage, Entités hydrogéologiques BDRHF, ...) produits par le Système d'Information sur l'Eau (SIE) et publiés par le Service d'Administration National des Données et Référentiels sur l'Eau (SANDRE)
• Etc.

Utilisation

• Analyses spatiales ;
• Aide à la décision, notamment pour l'aménagement du territoire ;
• Définition de zone de chalandise, implantation de points de vente, aide au mediaplanning notamment en affichage, optimisation de la distribution d'I.S.A. (imprimés sans adresses).
• Cartographie.

Perspectives

Les applications SIG / SIRS se développent rapidement surtout ces dernières années avec l'évolution des performances de l'informatique. Aujourd'hui, l'évolution des SIG tend vers une accessibilité pour le Web avec :

• Serveurs cartographiques,
• SIRS partagés sur le Web.

De plus, des outils SIG/SIRS nomades apparaissent grâce au PDA dans le monde de l'agriculture de précision.

Cependant, il manque toujours une composante au SIG qui est le " temps ", encore difficile à gérer.

Dans l'Union européenne, la directive INSPIRE vise à harmoniser les informations géographiques entre les États membres, notamment par l'emploi de métadonnées.