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Quantum GIS


Si vous êtes à la recherche d’un logiciel libre puissant et aisé à prendre en main pour visualiser et analyser des géodonnées, alors cet article va vous intéresser.



If you are looking for powerful free/open source software that is easy to learn for geodata visualization and analysis, this article will interest you.


Nicolas LACHANCE-BERNARD

Timothée PRODUIT


Fiche descriptive

Introduction aux données spatiales

Les Systèmes d’Information Géographiques (SIG ou GIS  en anglais) sont des outils qui permettent de travailler avec des données géo-référencées (géodonnées). Les géodonnées regroupent l’ensemble des bases de données auxquelles sont reliées des coordonnées spatiales (géographiques). Depuis les années 2000, de nombreux SIG disponibles sur le Web sont devenus des outils indispensables. Google Maps s’est particulièrement démocratisé dans les domaines de la recherche de lieux, d’itinéraires, d’horaires de transports publics et sur la communication de ces informations entre utilisateurs. Cependant, les utilisateurs de données géographiques qui ont besoin de fonctions de cartographie ou de traitements plus avancés utilisent des logiciels spécialisés. Les SIG permettent d’abord de visualiser les géodonnées. Un usager un peu plus aguerri pourra aussi les éditer et les analyser (on parle alors d’analyse spatiale). Finalement, il pourra encore les cartographier (par exemple par des cartes thématiques).
Cet article se divise en deux parties. D’abord, les types de géodonnées ainsi que les bases nécessaires à une bonne utilisation d’un SIG seront introduits. Plus loin, nous mettrons à disposition différentes données afin d’illustrer les fonctions d’un SIG et l’article prendra la forme d’un tutoriel d’introduction au logiciel QGIS.

Les principaux types de géodonnées

Deux types de géodonnées sont généralement utilisés. Le premier type est composé des données matricielles ou images (raster data en anglais), le second type est formé de données vectorielles ou vecteurs (vector en anglais). Ces deux types sont habituellement couplés à des métadonnées (metadata en anglais). Ces dernières contiennent les informations explicatives et descriptives de la géodonnée (auteur, licence d’usage, système de coordonnées, système de référence, description des classes présentes, ...). Ces géodonnées sont organisées en couches superposables que l’utilisateur choisit d’afficher ou non à l’écran lors de leur usage dans un SIG (fig. 1.)


fig. 1 – Quantum GIS affichant des géodonnées vectorielles (routes - Swisstopo Vecteur 25) et matricielles (orthophoto - SwissImage 50cm).

Les données matricielles sauvegardent dans une matrice composée de pixels une information liée au territoire. Les données matricielles les plus connues sont les images satellites et les orthophotos générées sur la base d’images aériennes (avion, hélicoptère, UAV). De plus, il faut citer les MNT, qui utilisent le format matriciel pour enregistrer l’altitude du territoire sur une grille régulière de résolution prédéfinie (par exemple l’altitude moyenne de chacune des cellules de 25m x 25m).
Les données vectorielles sauvegardent dans une base de données des objets géographiques. Chacun de ces objets représente un vecteur pour lequel plusieurs données attributaires sont associées. Une donnée attributaire enregistre une information sur l’objet : le nom d’une rue, le nom d’un bâtiment, le type de surface, ou encore la longueur ou l’aire d’un objet. Il existe trois types de primitives géométriques dans un SIG :

  • Le point : permet de représenter des objets ponctuels tels qu’un arbre, un point d’intérêt, ou encore le centre de gravité (point central) d’un d’objet modélisé par un polygone ;
  • La ligne : permet de représenter des objets linéaires tels qu’une route, une rivière ou encore une voie ferrée ;
  • Le polygone : est utilisé pour des éléments surfaciques tels qu’un bâtiment, une forêt, un terrain.

Les systèmes de projection et de référence

Il reste une étape primordiale lors de l’usage de géodonnées. Cette étape est la configuration du système de projection et du système de référence géodésique (souvent appelé datum) de chacune des couches. Cette étape permet aux couches de diverses sources de se superposer proprement.
À ce stade, il est suffisant de comprendre qu’il existe des coordonnées géodésiques (ou encore géographiques), par exemple Latitude et Longitude, permettant de décrire la localisation d’un point sur la surface de la Terre. C’est typiquement dans un tel système de référence géodésique global  (WGS84) que sont livrées les données utilisées avec les appareils GPS. Cependant, en Suisse, on utilise principalement le système de coordonnées cartographiques SwissGrid, défini pour un plan et associé à un système de référence géodésique local (CH1903+ ). Ce système permet, par exemple, d’afficher et de mesurer les coordonnées x et y d’un lieu en mètres. La mauvaise configuration des systèmes de coordonnées est une source récurrente de problèmes dans l’usage des SIG et des géodonnées.

Les géodonnées à l’EPFL

Depuis janvier 2011, l’ensemble des étudiants et des collaborateurs de l’EPFL ont accès pour l’enseignement et la recherche à la majeure partie des données de l’Office fédéral de la topographie Swisstopo . Un premier serveur est disponible pour les membres de la faculté ENAC depuis le début des années 2000. Environ 12TB de géodonnées sont actuellement disponibles par le site Web ENACGEODATA qui est accessible à plus de 50 correspondants principalement de l’ENAC, mais aussi d’autres facultés de l’EPFL. De plus, depuis l’été 2011, une plate-forme prototype est en évaluation par l’ensemble de ces correspondants. La plate-forme Web GeoVITe, initialement développée à l’ETHZ, est actuellement en test pour la consultation, l’extraction et la préparation des géodonnées pour les écoles EPF. Plus de 15TB de géodonnées y sont entreposées et disponibles d’un simple clic de votre souris (fig. 2). Si votre laboratoire désire avoir plus de renseignements ou avoir accès à ces géodonnées officielles, veuillez contacter le responsable de la distribution des géodonnées à l’EPFL du LASIG .


fig. 2 – interface GeoVITe pour la sélection des couches de géodonnées (secteur de l’EPFL avec la couche Swisstopo Vecteur 25).

Les géodonnées de type Volunteered Geographic Information - VGI

Si l’acronyme  VGI ne vous parle probablement pas, vous connaissez certainement le projet OpenStreetMap (OSM OSM est un service de cartographie Web libre basé sur la contribution volontaire de particuliers pour la digitalisation de réseaux routiers, d’activités économiques et autres informations spatiales. Ce type de géodonnées libres est en développement intensif depuis les cinq dernières années. D’autres projets mettent à contribution les volontaires du monde entier. Le projet Geo-Wiki, par exemple, vise à valider différents modèles de couverture du sol (land covers) pour l’ensemble de la surface terrestre. Les domaines d’application des VGI sont presque illimités. Les VGI démocratisent de plus en plus l’accès à des données justes et pertinentes, tant pour des usages individuels ou commerciaux que ceux liés à des besoins personnels. Les laboratoires TOPO et LASIG explorent depuis déjà quelques années l’usage de ces jeux de géodonnées afin d’en tester la qualité et l’utilité. Ces travaux ont démontré que les géodonnées de type VGI permettent de produire des analyses prometteuses et innovatrices de l’espace urbain (voir et aussi.

Logiciels de systèmes d’information géographique

Jusqu’ici, l’enseignement des SIG aux futurs ingénieurs civils, ingénieurs en environnement et architectes était réalisé principalement sur des logiciels non libres. Pour une liste des logiciels disponibles pour les étudiants, veuillez consulter le site ENACSOFT GIS Software Dans les années à venir, un changement de cap sera effectué pour utiliser principalement des logiciels libres. Le choix se porte inévitablement sur le projet QGIS. QGIS est le logiciel libre le plus avancé et le plus actif, tant par ses développements continus que par la dimension de sa communauté internationale active. Il peut rivaliser avec la majorité des logiciels non libres pour les usagers novices à intermédiaires. D’ailleurs plusieurs communes de l’arc lémanique utilisent ou mettent en place ce logiciel pour remplacer les variantes onéreuses.

Installation de Quantum GIS

Sous Windows

Depuis la page qgis.org/wiki/DownloadFr, vous pouvez choisir entre une installation basée installateur (type Setup.exe) ou installateur réseau. Vous devez absolument exécuter le fichier installateur (QGIS-OSGeo4W-1.7.1-c58071d-Setup.exe) en mode administrateur (fig. 3).


fig. 3 – exécution de l’installateur QGIS en mode administrateur

Si votre ordinateur possède un espace disque dur restreint, vous avez l’option de ne pas installer les fichiers des géodonnées pour les tutoriels, qui occuperaient 360.7MB d’espace disque supplémentaire (fig. 4).


fig. 4 – installation de QGIS avec (782.3MB) ou sans (421.6MB) les géodonnées des tutoriels

Sous Linux

QGIS est packagé pour la plupart des distributions Linux. Sous Ubuntu par exemple, il suffit de faire pour l’installer :

sudo apt-get update sudo apt-get install qgis

Sous MacOS X

L’installation est un peu plus complexe, car elle nécessite l’installation préalable de dépendances. Voyez la page de téléchargement de QGIS.

Prise en main

Cette seconde partie de l’article présente un échantillon des géodonnées disponibles pour les environs de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). Organisé sous la forme d’un tutoriel, l’article présente un projet QGIS pré-paramétré. Les données ainsi que le projet QGIS sont disponibles pour téléchargement aux membres de l’EPFL (collaborateurs et étudiants) avec ce lien.

Présentation de la fenêtre QGIS

Trois composants principaux sont visibles à l’ouverture de QGIS. Vous pouvez ouvrir le fichier epfl_4_flash.qgs. Tout d’abord, le composant principal est la fenêtre de visualisation des géodonnées. Cette dernière permet d’explorer les différentes couches de géodonnées à l’aide, entre autres, des zooms. Aussi, il est possible de sélectionner un ou des objet(s) d’une couche afin d’interroger la base de données d’attributs. Ensuite le gestionnaire de couches, situé habituellement à gauche de la fenêtre de visualisation permet de choisir l’ordre de superposition des couches (fig. 5).


fig. 5 – gestion des couches avec QGIS

Par un clic droit de la souris sur le nom d’une couche suivi de Properties, l’usager accède aux paramètres d’affichage de la couche tels que palettes de couleurs et options de transparence. Enfin, différentes barres d’outils dynamiques permettent d’accéder aux fonctions SIG de base de QGIS (fig. 6).


fig. 6 – barre d’outils – de haut en bas : navigation, importation de données, interrogation et sélection, plugins

Habituellement, ce composant est affiché sous les menus textuels principaux de QGIS. Les fonctionnalités de cette composante s’adaptent/s’active selon le type de géodonnées de la couche sélectionnée.

Importation de géodonnées vectorielles

Il existe de nombreux formats de géodonnées vectorielles et QGIS permet de lire la plupart d’entre eux. Le format le plus répandu est le format propriétaire ESRI shapefiles possédant une extension de fichier .shp. Contrairement à un document de bureautique, une couche de géodonnées comporte plusieurs fichiers ayant ou non des noms similaires, mais des extensions différentes. Dans le cas d’une géodonnées sous le format ESRI shapefiles, il y a plusieurs fichiers (.shp qui contient la géométrie, .dbf qui contient les attributs et est éditable avec un tableur, .prj contient le système de projection, .shx, ...). La perte de l’un de ces fichiers liés occasionne habituellement la perte de l’ensemble des géodonnées. Dans l’exemple qui suit, un fichier de ce type est utilisé pour importer une couche de bâtiment dans QGIS. Il faut tout d’abord importer la couche de géodonnées bâtiments (./vectors/buildings.shp). Pour ce faire, il faut cliquer sur le bouton Add Vector Layer . Les bâtiments apparaissent dans la fenêtre de visualisation du projet. Afin de visualiser ses attributs, l’usager peut sélectionner un bâtiment, représenté par un polygone, grâce au bouton Identify Features . Si l’usager souhaite accéder aux attributs de l’ensemble des objets d’une couche, il faut faire un clic droit sur la couche dans la fenêtre de visualisation, puis choisir Open Attribute Table. Depuis cette nouvelle fenêtre, il est possible de modifier la structure de la table d’attributs. On peut ainsi ajouter une nouvelle colonne d’attributs, calculer automatiquement des valeurs, ou encore éditer les valeurs des attributs à la main. Pour modifier la structure ou le contenu de la table d’attributs, l’usager doit passer en mode édition en cliquant le bouton Toggle Editing . Il est non seulement possible pour l’usager en mode édition de travailler sur la table des attributs, mais également de modifier la géométrie des objets dans la fenêtre de visualisation.
Bien souvent, d’autant plus avec l’utilisation intensive des GPS ou téléphones intelligents (smartphones), l’usager désire importer des géodonnées au format texte contenant une coordonnée géographique et des attributs. Il faut tout d’abord activer l’outil Add Delimited Text Layer en cliquant sur son icône par le menu principal Plugins / Manage plugins... / Add Delimited Text Layer . L’outil apparaît alors au bas de l’interface QGIS dans le composant plugins de l’interface. Un fichier (./vector/villas.csv) sous le format comma-separated-values (.csv) est à votre disposition pour tester cette fonctionnalité. Lors de son ouverture, il faut simplement spécifier la structure du fichier et le tour est joué.
Enfin, le plugin Spatial Query , également activé par le menu principal Plugins / Manage Plugins... / Spatial Query Plugin, permet de réaliser des requêtes spatiales simples entre couches. Par exemple, cet outil permet de sélectionner les routes croisant des bâtiments.

Visualisation d’un modèle numérique de terrain

Une orthophoto est déjà présente dans le projet QGIS afin d’illustrer une donnée matricielle. En plus de cette première couche, un exemple d’importation d’un modèle numérique de terrain (MNT) d’une résolution de 25m (./raster/124313.asc) est réalisé. Pour ce faire, il faut ouvrir le MNT en utilisant le bouton Add Raster Layer . en choisissant le format de géodonnées [GDAL]Arc/Info ASCII Grid. L’information [ GDAL indique que QGIS appelle la librairie GDAL pour la transformation de données raster entre les divers formats existants.
Dans la fenêtre de visualisation de QGIS, l’image doit apparaître en ton de gris (fig. 7).


fig. 7 – modèle numérique de terrain avec style appliqué

Cette image contient comme information l’altitude de chaque pixel, on peut y accéder avec le bouton Identify Features . Pour visualiser correctement ces informations (passer de l’image grise à celle colorée) il est nécessaire de configurer un jeu de couleurs adéquat pour l’affichage par un clic droit sur le nom de la couche, dans le gestionnaire des couches, et cliquer sur Properties suivi de l’onglet Style. Dans l’onglet Style, choisir dans le menu déroulant de Color Map un affichage Pseudocolor et cliquer sur le bouton Apply. Il est possible d’augmenter le contraste avec la méthode de Contrast enhancement en sélectionnant Stretch to MinMax (fig. 8).


fig. 8 – fenêtre de configuration des propriétés d’une couche : Onglet Style

Les outils de traitement de géodonnées matricielles sont relativement restreints dans QGIS. Il existe notamment un calculateur raster accessible par le menu Raster / Raster calculator. Cet outil permet notamment de soustraire deux MNT afin d’identifier des différences d’altitude entre deux jeux de géodonnées différents. Il existe aussi le plugin Raster based terrain analysis qu’il faut activer via Plugins / Manage Plugins / Raster Terrain Analysis plugin. Cet outil permet de calculer sur un MNT les pentes et leur orientation.

GRASS GIS : Traitements avancés du MNT

Pour proposer des outils plus puissants d’analyse de géodonnées matricielles, QGIS permet de coupler un autre SIG libre directement dans son interface : GRASS GIS. Par exemple, à l’aide de ce couplage des deux SIG, il est possible de produire un relief ombragé dans QGIS à partir d’un MNT (fig. 9).


flg. 9 – modèle numérique de terrain en relief ombragé

Pour calculer cet ombrage, il faut tout d’abord créer un nouveau jeu de cartes (mapset) avec l’outil GRASS New Mapset . En cliquant ce bouton, une fenêtre requiert la sélection d’un répertoire (EPFL par exemple) pour enregistrer la nouvelle base de données ainsi qu’un nom de lieu. Toujours dans cette même fenêtre, il faut choisir le système de projection SwissGrid avec pour Coordinate Reference System CH1903/LV03, Authority ID EPSG : 21781 et ID 1919. Il est possible pour cette configuration de rechercher différents systèmes de projection à l’aide d’un outil situé dans la même fenêtre. Ensuite, la fenêtre demande de configurer une Bounding Box (dans le cas de ce tutoriel, il est possible de confirmer celle qui apparaît automatiquement dans les paramètres) et de nommer le jeu de cartes qui sera produit (EPFL par exemple).
Une fois le jeu de cartes créé, l’ensemble des outils GRASS intégrés à QGIS deviennent actifs et utilisables. Par exemple, à l’aide du bouton GRASS Tools il est possible de sélectionner sous l’onglet Modules Tree l’outil Import into GRASS / Import raster into GRASS from QGIS view / Import loaded raster (fig. 10).


fig. 10 – utilisation du Module Tree pour l’importation d’une géodonnées matricielles avec le module GRASS

Il suffit alors de spécifier une des couches matricielles actives (la case d’affichage dans le gestionnaire de couche doit être cochée) et un nom de couche en sortie (EPFL_Altitude) et de cliquer sur le bouton Run, suivi d’un clic sur le bouton View Output pour rendre disponible le résultat dans le gestionnaire de couches. Enfin, il est possible avec cette nouvelle couche de produire à partir du MNT un relief ombragé. Toujours dans à l’aide du bouton GRASS Tools, on utilise sous l’onglet Modules Tree l’outil Raster / Spatial analysis / Terrain analysis / Create shaded relief (fig. 11).


fig. 11 – utilisation du Module Tree pour la création d’un relief ombragé avec le module GRASS

Pour ce tutoriel, il est possible d’utiliser les paramètres configurés par défaut pour un résultat adéquat, donc de cliquer une nouvelle fois sur le bouton Run suivi d’un clic sur le bouton View output. On remarque donc que si un outil n’est pas disponible directement dans QGIS, il y a de bonnes chances qu’il soit disponible via GRASS.

Paramétrage des systèmes de projections

Pour tout projet QGIS, il est primordial de bien spécifier le système de coordonnées du projet et celles des géodonnées lors de leur chargement. Dans le premier cas (un nouveau projet), il faut utiliser le menu Settings / Project Properties suivi de l’onglet Coordinate Reference System ( CRS). Dans le second cas (une nouvelle couche), il faut faire un clic droit sur la couche, puis Set layer CRS. Pour les géodonnées suisses, on sera généralement appelé à utiliser CH1903/LV03  (EPFL = 533’020 ; 152’450) ou WGS84 (EPFL = 46.520825 ; 6.564825). Il est extrêmement important de préciser ces paramètres, et ce pour que :

  • la diffusion de vos géodonnées soit documentée ;
  • la superposition de vos géodonnées soit conforme entre les couches ;
  • les calculs et mesures soient dans les bonnes unités (par exemple des mètres).

Si vous avez à travailler avec des géodonnées extérieures à la Suisse ou historiques, il est utile de se référer au site Web du  EPSG ) : EPSG Geodetic Parameter Registry. L’EPSG, créé en 1985, a mis au point une base de données des systèmes de coordonnées actifs et historiques. Un code a été associé à chacun des systèmes de coordonnées, code devenu de facto le standard de la nomenclature. Ces codes sont largement utilisés dans les SIG courants, par exemple CH1903/LV03 possède le code EPSG21781 pour code et WGS84 le code EPSG4326. Cependant, au moment de calculer les transformations de coordonnées, QGIS se base sur une librairie appelée PROJ.4 et voir aussi. En Suisse, Swisstopo documente les systèmes de coordonnées courants.

Connexion à des serveurs de géodonnées externes

Il n’est pas toujours nécessaire d’utiliser des géodonnées locales (sur votre ordinateur). En effet, certaines géodonnées sont distribuées grâce à une connexion avec un serveur par l’intermédiaire des réseaux Internet (public) ou Intranet (privé). Les serveurs Web Map Service ( WMS distribuent des géodonnées matricielles (images). Les serveurs Web Feature Service ( WFS ) distribuent des objets géographiques des géodonnées vectorielles. Pour s’y connecter, il suffit d’utiliser respectivement les boutons Add WMS server et Add WFS server, et de spécifier les paramètres de connexion.
Dans le projet QGIS fourni, des connexions vers les WMS de l’Office Fédéral de l’Environnement (OFEV) et de l’Infrastructure Fédérale de Données Géographiques (IFDG) sont déjà préenregistrées, les couches disponibles sont décrites sur le site de l’Administration fédérale.

Références

Pour davantage d’informations sur l’utilisation de QGIS et GRASS, voyez :


Article du FI-EPFL 2011 sous licence CC BY-SA 3.0 /N. Lachance-Bernard & T. Produit



Glossaire

CH1903+ :
les deux systèmes de référence géodésiques CH1903+ et CH1903 sont identiques en ce qui concerne les dimensions de l’ellipsoïde de référence, les orientations des axes de coordonnées, l’échelle et le système de projection. Pour les définitions et désignations, voir ici.
CRS (Coordinate Reference System) :
système de coordonnées permettant de faire correspondre à chaque point d’un espace à N dimensions, un N-uplet de scalaires->http://fr.wikipedia.org/wiki/Syst%C...].
EPSG :
European Petroleum Survey Group.
GDAL (Geospatial Data Abstraction Library) :
bibliothèque d’abstraction des données géo-spatiales.
GIS (Geographic Information Systems) :
voir SIG en français.
GPS (Global Positioning System) :
système de positionnement mondial.
GRASS (Geographic Resources Analysis Support System) :
système de support à l’analyse des ressources géographiques.
MNT :
modèle numérique de terrain.
OSM :
projet volontaire de carte OpenStreetMap ; lire aussi FI SP10.
QGIS :
Quantum GIS.
SIG :
systèmes d’information géographique.
UAV (Unmanned Aerial Vehicle) :
ou en français drone.
VGI (Volunteered Geographic Information) :
information géographique volontaire.
WFS (Web Feature Service) :
utilisé aussi pour toutes les autres langues.
WGS84 (World Geodetic System 1984) :
système géodésique mondial avec la révision de 1984, associé au GPS.
WMS (Web Map Service) :
utilisé aussi pour toutes les autres langues.


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