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Qu'est-ce qu'un SIG ?

Google Maps, navigateurs GPS, ordinateurs de poche… la cartographique informatique est de plus en plus présente dans la vie courante. Ce succès découle de l’usage de plus en plus répandu des systèmes d’information géographique (SIG). Que sont donc ces technologies et comment contribuent-elles à la recherche à l’UNIL ?

En quelques mots, les SIG sont des logiciels permettant de représenter et de travailler avec des données liées à des coordonnées géographiques. On peut les voir comme l’hybridation entre des logiciels de gestion de base de données, de dessin vectoriel et de traitement de l’image. Ils réunissent en une même interface les fonctionnalités de ces trois types d’application et y ajoutent nombre d’opérations rendues possibles par leur combinaison. Ils permettent, par exemple, de visualiser et imprimer des cartes comprenant différents contenus thématiques ou des informations statistiques, de répondre à des questions basées sur la configuration spatiale des objets étudiés, d'analyser des images aériennes ou satellitaires, de modéliser des cartes prédictives, etc.

Les domaines d'application des SIG sont extrêmement variés. Ils vont de la géographie à la police scientifique, en passant par la géologie, l'archéologie, la finance, la biologie, la santé, les transports ou encore la météorologie. Sur le campus de l'Université de Lausanne ils sont utilisés par les étudiants, chercheurs et professeurs de six différentes facultés. Ils sont également utilisés à des fins administratives, par exemple pour la gestion des locaux.

Le principe des couches

Les données sont organisées sous formes de couches, qui remplissent le rôle des calques de la cartographie papier. Chaque couche rassemble des informations appartenant à une même thématique (réseau routier, photographie satellitaire, points remarquables, etc.). L’apparence graphique de chaque couche est déterminée par un jeu de symboles et une palette de couleur. La carte finale résulte de la superposition de ces couches. Il est alors possible de varier l’échelle de la carte – dans les limites imposées par la précision des données – ou le type de projection géographique, voire de produire une représentation en perspective de la zone étudiée.

Une couche peut stocker l’information de deux manières différentes. D’une part, selon le mode "image" (structure raster), la zone étudiée est divisée en une matrice de "pixels" ou cellules, chacune porteuse d’une valeur unique (couleur, altitude, température moyenne, etc.). D’autre part, selon le mode "objet" (structure vecteur), la réalité est représentée par des éléments géométriques (polygones, lignes ou points), auxquels sont attachés des attributs (nom, type de forêt, largeur de rivière, nombre d’habitants, valeur mesurée, etc.). Ces deux modes ont chacun leurs avantages et leurs inconvénients. On les utilise conjointement dans un même projet, les données étant converties d’un format dans l’autre selon les besoins.

Les informations géographiques sont structurées selon un système de couches superposables. Ici un exemple avec le campus de l’UNIL. La première couche (depuis le bas) représente la photographie aréienne du campus (format raster), la deuxième le réseau routier (vecteur lignes), la troisième le réseau hydrographique (vecteur lignes), et la dernière les bâtiments de l'université (vecteur polygones).

Le mode image est souvent utilisé pour les données provenant de la télédétection : photographie aérienne ou satellitaire, modèles d’altitude radar ou laser. Il est aussi le mode fréquemment utilisé par les modèles numériques (cartes de risque, cartes de proximité, statistiques sur des fenêtres mobiles, etc.). Les analyses procèdent principalement par superposition des couches, chacune apportant une information différente pour la même zone géographique (la cellule).

Le mode objet provient de la symbolisation de données réelles (courbes de niveaux, plan cadastral, réseau routier ou hydrographique) ou de mesures ponctuelles géographiquement référencées (mesures GPS, enquête porte-à-porte, sondage géologique, station météorologique, etc.). Les analyses se font en interrogeant les tables de données et en calculant les intersections entre les éléments géométriques.

Les SIG dans la recherche

Les possibilités offertes par les SIG sont innombrables et peuvent s’appliquer à quasiment tous les domaines représentés à l’UNIL, des sciences humaines aux sciences exactes en passant par la gestion des bâtiments. La gamme des applications va des opérations utilisables sur un simple navigateur internet, aux applications les plus complexes nécessitant des ordinateurs puissants, des logiciels spécifiques et des compétences informatiques pointues.

La consultation en ligne (ou web mapping) est l’application la plus simple des SIG. Elle est en général gratuite et intuitive pour un large public. Certaines applications ne nécessitent d’autre matériel qu’un ordinateur et une connexion Internet (Atlas ThemaKart, Google Maps, SIT Neuchâtel). D’autres, qui offrent des fonctionnalités plus poussées tout en restant gratuites, nécessitent le téléchargement d’un logiciel spécifique (ArcExplorer, Google Earth).

La présentation sous forme de cartes thématiques ou statistiques est probablement l’application la plus fréquente des SIG. Elle permet de produire des cartes spécifiques pour les chercheurs sur le terrain (plans de fouilles archéologiques, sites d’échantillonnage), ou, à l’étape de la publication, de mettre en évidence les données et leurs relations spatiales (cartes géologiques). La représentation cartographique s’ajoute ainsi aux outils standards de la statistique descriptive (cf. Carthema). La technique du géocodage, qui transforme une adresse postale en coordonnées géographiques, permet de cartographier aisément les résultats d’enquêtes sociologiques ou économiques. L’utilisation du GPS (Global Positioning System) ou de balises émettrices permet d’attacher à toute mesure prise sur le terrain, une position géographique précise.

Carte de la population des principales villes suisses

Exemple de carte statistique. Population des principales villes suisses (UNIL-IGUL)

Les SIG permettent en outre de mener des analyses poussées sur les données. Il est ainsi possible de détecter des structures ou des interactions spatiales invisibles au premier abord, de mesurer des tendances spatiales, de dresser des profils environnementaux, de délimiter des zones d’influence ou de visibilité. Tout un pan de la technologie SIG s’intéresse au traitement des photographies aériennes et à l’extraction automatique d’information. Toutes ces analyses permettent de calculer de nouvelles couches, de nouvelles informations.

Finalement, les couches SIG peuvent être entrées dans des logiciels statistiques afin d’appliquer des analyses plus pointues (cf. Biomapper), ou dans des programmes de simulation afin de modéliser des phénomènes dynamiques (par ex. avalanches, propagation d’espèces invasives, flux de gènes).

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