Les données vectorielles – modèle spaghetti
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Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les Systèmes d’Information Géographique Objet et concepts Mickaël VASQUEZ Service DEL/AO PLAN Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les SIG, pour quoi faire ? Les données : structure et formats • Les données vectorielles – – – – Modèle spaghetti Modèle topologique Indexation spatiale Formats ESRI • Les données maillées – Paramètres de géoréférencement – Formats Les SIG, pour quoi faire ? Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Faire des cartes ? Oui, entre autres … Assurer la persistance, interroger, créer / modifier, mettre en forme des objets qui ont une dimension spatiale (routes, départements, isobathes, couches géologiques, …) et qui peuvent porter de l’information (une commune a un nombre d’habitants, à une isobathe correspond une profondeur, …) Outils pour spécialistes : reporting, statistiques, géostatistiques, traitement d'image, analyse 3D Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les SIG, pour quoi faire ? Assurer la persistance des objets • Stockage de l'information portée par les objets (modèle relationnel) • Stockage de la dimension spatiale de ces objets Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les SIG, pour quoi faire ? Interroger • Le décideur : quelles sont les zones à évacuer en cas de crue ? • L’usager : dans tel village, quels sont les terrains qui ne sont pas en zone inondable et dont le sous-sol n’est pas meuble ? • Le restaurateur : dans telle ville, où sont les rues passantes et dans un rayon d’1 km d’une université ? • Le benthologue : quels peuplements suis-je susceptible de rencontrer à tel endroit sachant que le substrat est meuble, que la profondeur est de 15 m, et que l'eau est très turbide ? Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les SIG, pour quoi faire ? Créer / Modifier • L’information qui est portée par les objets -> Masques de saisie • Les objets eux-même : création d’une nouvelle route, modification du tracé d’un court d’eau, suppression d’un banc de sable, … -> Outils de DAO Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les SIG, pour quoi faire ? Mettre en forme Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Éléments d’un SIG Utilisateurs Logiciels Base(s) de données vectorielles ou maillées et Métadonnées Fichiers SGBD Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Principaux logiciels du marché ArcGIS (ESRI) : ArcInfo ou ArcView MapInfo (Claritas) Geomedia (Intergraph) Geoconcept (Geoconcept) Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Éléments d’un SIG Utilisateurs Logiciels Base(s) de données vectorielles ou maillées et Métadonnées Fichiers SGBD Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données vectorielles Les objets sont représentés par l’intermédiaire de trois primitives graphiques : • Points : arbres, épaves, points de mesure, … • Lignes : routes, cours d’eau, tracés de profils sismiques, … • Polygones : parcelles, courbes de niveau, couches géologiques, … Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données vectorielles Pour une thématique donnée, l'ensemble objets (entités) géographiques - information portée par ces objets (attributs) constitue une classe d'entités (synonymes : couche, thème) Exemples : classe d'entités de points Clients classe d'entités de polygones Bâtiments classe d'entités de lignes Rues Extrait Internet Esri France Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données vectorielles Le modèle relationnel convient parfaitement au stockage de l'information attributaire ID Nombre d'habitants 100 101 102 1000000 10000 200000 Pour le stockage, 2 écoles : • Le modèle spaghetti • Le modèle topologique Mais l'information spatiale ? Comment la stocker ? Comment l'indexer ? Les données vectorielles – modèle spaghetti Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Une classe d'entités est constituée d'entités complètement autonomes Une ligne ou un polygone est une simple liste de points (sommets) Au sein d'une classe d'entité, les entités peuvent se chevaucher Au sein d'une classe d'entité de polygones, les trous sont autorisés Les données vectorielles – modèle spaghetti Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Structure de stockage des lignes dans une classe d'entités de lignes Doublon 1 2 4 3 7 6 5 8 II I Tableau des lignes X Y 1 X1 Y1 2 X2 Y2 Début Fin 3 … … I 1 4 4 … … II 5 8 5 … … 6 … … 7 … … 8 X8 Y8 Tableau des sommets Les données vectorielles – modèle spaghetti Structure de stockage des polygones dans une classe d'entités de polygones 3 6 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 2 7 I 4 10 II Doublons 5 1 Tableau des lignes Début Fin I 1 5 II 6 10 X 8 Y 1 X1 Y1 2 X2 Y2 3 … … 4 … … 5 … … 6 … … 7 … … 8 … … 9 … … 10 X10 Y10 9 Tableau des sommets Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données vectorielles – modèle topologique Définition de la topologie : concerne les relations entre objets dans le plan (l'espace), telles qu'elles soient conservées par homéomorphisme (déformation sans déchirement) du dit plan (Signature, 1999) Les données vectorielles – modèle topologique Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Exemple de déformation sans déchirement : un changement de projection Coordonnées sphériques – WGS84 UTM 35 N – WGS84 La relation d'angle entre 2 objets n'est pas topologique, car elle n'est pas conservée En revanche, la relation d'adjacence est topologique : la France reste adjacente (connectée) à l'Espagne quelle que soit la projection Les données vectorielles – modèle topologique Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Le modèle topologique considère une classe d'entités non plus comme un ensemble d'entités complètement autonomes, mais comme un graphe, c'est à dire un ensemble d'arcs connectés Un arc est constitué de 1 ou 2 sommets (ou noeuds) et de points annexes Sommet Point annexe Un polygone (ou domaine) est délimité par des arcs Les données vectorielles – modèle topologique Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Le modèle topologique ne se contente pas de stocker les éléments qui constituent les entités, il stocke également les relations topologiques entre ces entités Relations topologiques Arc – Sommets : un arc étant orienté, il a un sommet initial et un sommet final 2 1 L'arc a pour sommet initial le sommet 1 et pour sommet final le sommet 2 Relations topologiques Arc – Polygones : un arc étant orienté, il a un polygone gauche et un polygone droit A 1 B L'arc 1 a pour polygone gauche le polygone B et polygone droit le polygone A Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données vectorielles – modèle topologique Au sein d'une classe d'entité, les entités ne peuvent pas se chevaucher Au sein d'une classe d'entité de polygones, les trous sont interdits Les données vectorielles – modèle topologique Structure de stockage des arcs dans une classe d'entités d'arcs Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Pas de doublon 1 A 3 2 4 5 B C II I Tableau des arcs Topologie Sommet Initial Sommet final Point annexe Point début annexe fin I A B 1 2 II B C 3 5 XS YS A XSA YSA B XSB YSB C XSC YSC X Y 1 X1 Y1 2 X2 Y2 3 X3 Y3 4 X4 Y4 5 X5 Y5 Tableau des sommets Tableau des points annexes Les données vectorielles – modèle topologique Structure de stockage des arcs et des polygones dans une classe d'entités de polygones Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 B III C 1 F 2 P1 II VII P2 3 IV VI 4 V I A E D Tableau des arcs Topologie Polygone gauche Polygone Point annexe droit début Point annexe fin XS YS A XSA YSA B XSB YSB C XSC YSC D XSD YSD Sommet Initial Sommet final I D A E XSE YSE II A B F XSF YSF III B C X Y IV C D V D E VI E VII F 1 1 2 2 1 X1 Y1 3 4 2 X2 Y2 F 3 X3 Y3 C 4 X4 Y4 P2 P1 Tableau des sommets Tableau des points annexes Les données vectorielles – comparatif des 2 modèles Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Modèle topologique • Pour – Pas de redondance – Accélération très significative des traitements faisant appel aux relations de voisinage – Très strict (pas de trous, pas de chevauchements) – Excellent pour les traitements sur gros volumes de données • contre – Très lourd à gérer Modèle spaghetti • Pour – Très simple à comprendre et à manipuler • contre – – – – Redondance Pas assez strict Mises à jour graphiques souvent laborieuses Très pénalisant pour les traitements sur gros volumes de données Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données vectorielles – Indexation spatiale Lors d'un zoom, il serait inutile et coûteux en temps machine de charger en mémoire toutes les entités de la classe d'entités. Il est préférable de ne charger que les entités concernées par l'étendue du zoom Mais il serait également très coûteux de vérifier, pour toutes les entités, si elles sont contenues par ou si elles intersectent le rectangle d'emprise du zoom L'indexation spatiale, c'est le stockage d’information supplémentaire qui va permettre d’améliorer les performances lors de filtres spatiaux (zooms, requêtes spatiales) de telle sorte que seule l’information utile soit extraite et ce sans lire tout le contenu du fichier. Les données vectorielles – Exemple d'algorithme d'indexation : le tuilage Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 On créé une grille virtuelle Pour chaque entité, on recense les mailles de la grille qui la contiennent P7 7 4 P1 1 P6 P4 8 5 P5 9 6 P2 2 P3 3 Polygone Maille contenant le polygone P1 1 P1 2 P1 4 P2 2 P2 3 P2 5 P2 6 P3 3 P3 6 P3 9 … … P7 7 Les données vectorielles – Exploitation du tuilage par un logiciel lors d'un zoom P7 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 7 4 P1 1 P6 P4 8 5 P5 9 6 P2 2 P3 3 Polygone Maille contenant le polygone P1 1 P1 2 P1 4 P2 2 P2 3 P2 5 P2 6 P3 3 P3 6 P3 9 … … P7 7 Récupération des mailles intersectées ou contenues par le rectangle qui délimite l'étendue du zoom : 1 et 2 Récupération dans le tableau les identifiants des polygones qui sont contenues par ces mailles : P1 et P2 Chargement en mémoire de ces polygones Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données vectorielles Format Couverture ArcInfo Contemporain du logiciel ArcInfo (1982) Format topologique S'appuie sur le SGBDR INFO pour le stockage de l'information attributaire Structure assez complexe, à base de répertoires et de fichiers : Workspace : répertoire contenant au moins une couverture Répertoire Info : répertoire partagé par toutes les couvertures du workspace. Il contient leur information attributaire 1 répertoire par classe d'entités (couverture). Ces répertoires contiennent l'information spatiale de la classe d'entités dont ils portent le nom Formats de données vectorielles Format Couverture ArcInfo Point de vue de l'utilisateur Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Topologie arcs - sommets Topologie arcs – polygones Exemple : Couverture de polygones states Attributs de la classe d'entités Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données vectorielles Format Shapefile (fichier de formes) Apparu avec le logiciel ArcView (fin années 80) Format public, qui s'est imposé comme le format d'échange de référence Format spaghetti S'appuie sur le SGBDR dBase pour le stockage de l'information attributaire Structure : une classe d'entités (shapefile) = 3 fichiers obligatoirement + 4 fichiers facultatifs .shp Information spatiale .dbf Information attributaire .shx Index spatiaux .sbn Index attributaires .sbx .prj Paramètres de projection de la classe d'entités .xml Métadonnées (Norme ISO19115 ou FGDC) Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données vectorielles Format Shapefile Point de vue de l'utilisateur Exemple : 3 classes d'entités au format shapefile Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données vectorielles ArcSDE A la fin des années 90, Esri sort ArcSDE, technologie permettant de stocker des classes d'entités non plus dans des fichiers, mais dans un SGBDR (Oracle, Informix, Sybase, SQL Server) ArcSDE, c'est : • Un modèle de stockage • Un serveur d'application, passerelle entre les logiciels ESRI et le SGBD Passerelle ArcSDE Création SGBDR Base de données SQL Consultation •Classes d'entités Mise à jour •Tables classiques Client Serveur Formats de données vectorielles Schéma ArcSDE Pour permettre de stocker des classes d'entités dans un SGBD, ArcSDE lui "fournit" 4 tables : Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Une table qui liste les classes d'entité de la base de données 3 tables pour chaque classe d'entités stockée dans la base de données •Une pour l'information attributaire •Une pour l'information spatiale (modèle spaghetti) •Une pour les index spatiaux Classe d'entités "Peuplements" Information attributaire Liste des classes d'entités ID 1 2 … NAME Peuplements Géologie … shape substrat 100 meuble 101 rocheux … … ID Geometry 100 101 … … Stockage géométrie … … … … ID 100 101 … … … … … GX GY 1 1 1 2 … Stockage index spatiaux Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données vectorielles Base de données ArcSDE Point de vue de l'utilisateur Exemple : 4 classes d'entités et une table dans une base de données intitulée Ma_base_de_données Formats de données vectorielles Les Geodatabases Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Le format Geodatabase , présenté par Esri au début des années 2000, n'est rien d'autre que ArcSDE agrémenté de nouvelles possibilités de stockage Geodatabase multi-utilisateur Le modèle de données d'ArcSDE s'est de plus ouvert à la bureautique par sa transposition au SGBDR Access Geodatabase personnelle Geodatabase multi-utilisateur Geodatabase personnelle Base de données Passerelle ArcSDE Création SGBDR SQL Consultation •Classes d'entités •Tables classiques •Métadonnées •Classes de Relations Mise à jour •Classes de topologie Client Serveur •Jeu de classes d'entités Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données vectorielles Les Geodatabases – Classes de relations Dans une base de données relationnelles, il y a généralement de nombreuses relations entre les tables Exemple : relation entre la table Villes et la table Régions Ces relations sont virtuelles : elles ne sont créées qu'au moment de l'interrogation par SQL Le format Geodatabase permet à l'administrateur de stocker ces relations sous la forme d'une Classe de relations Une classe de relations peut lier : • Une classe d'entités à une autre classe d'entités (exemple : Communes - Régions) • Une classe d'entités à une table (exemple Parcelles Propriétaires) • Une table à une autre table Les classes de relations peuvent être de type un à un, un à plusieurs ou plusieurs à plusieurs Formats de données vectorielles Les Geodatabases – Classes de relations Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Exemple : relation entre une classe d'entités Concessions et une table Propriétaires Classe d'entités Concessions Classe de relation concessions propriétaires Type : polygones Bidirectionnelle Table propriétaires Cardinalité : N:M Implémentation dans une Géodatabase Modèle conceptuel possède (1,N) Concession propriétaire appartient à (1,N) Formats de données vectorielles Les Geodatabases – Classes de relations Point de vue de l'utilisateur Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Exemple : relation entre une classe d'entités Concessions et une table Propriétaires Click Click Liste des propriétaires de la concession Attributs de Attributs du la concession propriétaire 1 Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données vectorielles Les Geodatabases – Classes de topologie Le modèle de stockage de l'information spatiale est non topologique Il est néanmoins possible d'établir des règles topologiques pour chaque classes d'entités, et ce selon 2 modes : • Intra-classe d'entité (ex. : "il ne doit y avoir aucun trou dans ma classe d'entités parcelles", ou encore "Aucun polygones de ma classe d'entité ne doivent se superposer") • Entre classes d'entités (ex. : "les entités de la classe de polylignes limites administratives doivent impérativement se superposer à celles de la classe de polygones zones administratives" ) La vérification du respect de ces règles peut se faire à tout instant via des outils d'ArcView Un jeu de 25 règles est ainsi à disposition. Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données vectorielles Les Geodatabases – Jeu de classes d'entités Permet de regrouper dans un répertoire virtuel des classes d'entités qui répondent à une même thématique et qui sont dans la même emprise géographique Exemples : Jeu de classes d'entités Données administratives, données physiques, etc… Point de vue de l'utilisateur : Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Éléments d’un SIG Utilisateurs Logiciels Base(s) de données vectorielles ou maillées et Métadonnées Fichiers SGBD Les données maillées (ou Raster) Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Les données sont représentées par l'intermédiaire d'une matrice A chaque cellule (ou maille, ou pixel) de la matrice est associée un valeur numérique Extrait Internet Esri France Les différents types de données maillées Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Photos (aériennes, satellitaires, sonar, …) Variables continues (t°, altitude, …) Cartes scannées Les données maillées – Données multi-bandes Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Un raster multi-bandes est un raster composé de plusieurs raster Bande 1 : Valeurs de niveau de rouge ([0-255]) Bande 2 : Valeurs de niveau de vert ([0-255]) Bande 3 : Valeurs de niveau de bleu ([0-255]) Orthophotographie littorale : composition colorée RVB issue de la combinaison des 3 bandes (2563 couleurs possibles) Les données maillées - Géoréférencement Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Un raster, par exemple une image numérique, est défini par • ses dimensions : nombre de colonnes (NX) et nombre de lignes (NY) • Sa résolution : nombre de pixels par pouce NY NX = 5 NY = 4 NX Dans un SIG, il faut être capable de placer un raster dans un repère géographique orthonormé. Un tel raster est dit géoréférencé Les données maillées - Géoréférencement Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Pour qu'un raster soit géoréférencé, il faut définir : • Les coordonnées dans le repère d'un des points de la matrice, le plus souvent le point situé en haut à gauche : X0, Y0 • Les pas en unité terrain (mètre, degré) de la matrice : DX, DY X0, Y0 NY NX = 5 NY = 4 X0 = 90000 m Y0 = 2300000 m DX = 15 m DY DY = 10 m DX NX Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données maillées Format GRID Format ESRI Structure complexe, semblable à celle du format vectoriel Couverture ArcInfo : Workspace : répertoire contenant au moins une grille Répertoire Info : répertoire partagé par toutes les grilles du workspace. Il contient leur information attributaire 1 répertoire par grille. Ces répertoires contiennent toutes les valeurs de la grille dont ils portent le nom Point de vue de l'utilisateur Formats de données maillées Formats Orientés SIG Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats dont les paramètres de géoréférencement sont écrits au sein du fichier • Formats non compressés : – GEOTIFF : le format TIFF contient des balises dédiés au géoréférencement du fichier – Imagine (*.img) : format du logiciel ERDAS – Er Mapper (*.ers) : format du logiciel Er Mapper • Formats compressés : – ECW – MrSid Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Formats de données maillées Formats grand public JPEG, Windows Bitmap, GIF, PNG, … Problème : où écrire les paramètres de géoréférencement ? Dans un fichier annexe (world file) • qui porte le même nom que le fichier raster • dont l'extension est sous la forme 1ère lettre extension fichier raster + dernière lettre + w Exemple : jgw pour fichier jpg, bpw pour fichier bmp - DY Paramètres de rotation (très rarement utilisés) DX X0 Y0 SIG "Ifremer" De plus en plus … Introduction aux Systèmes Géographiques (SIG) - 06/05/2204 Utilisateurs Autocad, Adobe Illustrator Erdas, Er Mapper ArcView, ArcInfo Logiciels Caraïbe, FishView, Adélie, VideoNav, ModelView 3D, Spatial, Geostatistical Analyst, ArcScan Isatis Base(s) de données vectorielles ou maillées et Métadonnées Des milliers de shapefiles, de couvertures ArcInfo et de raster Geodatabase SEXTANT : données de référence Fichiers SGBD
