carte de base (partie 2/2)

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :** - préparer et homogénéiser des jeux de données géospatiales provenant de sources diverses (satellitaires, GPS, relevés terrain) en vue de constituer une carte de base fiable ; - réaliser le géoréférencement, la projection et la jointure attributaire nécessaires à l’intégration de ces données dans un SIG professionnel ; - détecter, corriger et contrôler les erreurs géométriques et topologiques d’une carte de base, en appliquant des procédés de nettoyage, de conflation et de mise à jour conformes aux normes de qualité géospatiale au Cameroun ; - produire une documentation métadonnée complète et respecter les règles de sécurité et d’hygiène liées à la manipulation des données numériques en atelier ou sur le terrain. **Prérequis :** - notions de système de coordonnées géographiques (latitude/longitude) et projetées (UTM, Lambert) ; - maîtrise des concepts de échelle, résolution et précision spatiale ; - capacité à manipuler un logiciel SIG de base (QGIS, ArcGIS) : ajout de couches, édition d’attributs, utilisation de la barre d’outils d’édition ; - connaissances élémentaires en matière de gestion de fichiers (shapefile, GeoPackage, CSV) et de sauvegarde de travaux. --- ## Introduction contextualisée Dans le cadre du baccalauréat technique séries GEO, la carte de base constitue le référentiel fondamental sur lequel s’appuient toutes les analyses territoriales (urbanisme, agriculture, santé, risques naturels). Au Cameroun, les projets de développement (Plan National de Développement 2020‑2030, programmes d’aménagement du bassin du fleuve Sanaga, cartographie des zones agricoles du Nord‑Ouest) exigent que les cartes de base soient à la fois **géométriquement exactes**, **topologiquement cohérentes** et **à jour**. Les activités d’intégration permettent de rassembler des données hétérogènes (images Sentinel‑2, points GPS de relevés terrain, tableaux attributaires du MINEDUB) dans un même système de référence. Les activités de remédiation interviennent ensuite pour corriger les défauts introduits lors de l’acquisition (décalages géométriques, doublons, erreurs de saisie d’attributs) et garantir la qualité exigée par les normes ISO 19115 et les spécifications du MINESEC/IGE. Ce chapitre présente, étape par étape, les procédés professionnels utilisés en atelier ou sur chantier camerounais, avec des exemples concrets (réseau routier de Yaoundé, répartition des centres de santé dans la région du Littoral). --- ## I. Activités d’intégration ### 1. Préparation des données sources Avant toute intégration, il faut **homogénéiser** les formats, les systèmes de coordonnées et les résolutions. - **Vérification du format** : privilégier les formats ouverts (GeoPackage, Shapefile) ; convertir les fichiers CSV contenant des coordonnées en points géospatiaux via l’outil « Ajouter un couche délimité par texte ». - **Contrôle du système de référence** : identifier le SRID (Spatial Reference System Identifier) de chaque couche ; si plusieurs SRID coexistent, choisir un SRID de travail commun (ex. : EPSG 32632 – UTM zone 32N, WGS 84) et reprojeter les couches avec l’outil « Reprojeter couche ». - **Uniformisation de la résolution** : pour les images raster, résampler à une résolution cible (ex. : 10 m) afin d’éviter les déséquilibres d’échelle lors de l’overlay. > **> Règle de préparation** : toute donnée entrant dans le processus d’intégration doit être accompagnée de son fichier de métadonnées (date d’acquisition, précision, source, procédé de traitement). ### 2. Géoréférencement et projection Le géoréférencement associe chaque pixel ou sommet à des coordonnées réelles. - **Points de contrôle (GCPs)** : sélectionner au moins quatre points bien répartis (coins d’image, intersections de routes clairement identifiables sur une orthophoto ou un fond de carte connu). - **Méthode de transformation** : choisir une transformation polynomiale d’ordre 1 (affine) pour des images légèrement inclinées, ou d’ordre 2 pour des déformations plus importantes. - **Calcul du RMS (Root Mean Square Error)** : vérifier que l’erreur résiduelle reste inférieure à la moitié de la résolution du raster (ex. : < 5 m pour un raster de 10 m). > **> Formule de distance terrain** : > \[ > D_{\text{sol}} = D_{\text{carte}} \times E > \] > où \(D_{\text{sol}}\) est la distance réelle (m), \(D_{\text{carte}}\) la distance mesurée sur le papier ou l’écran (m), et \(E\) l’échelle du dénominateur (ex. : 1 : 50 000 → \(E = 50 000\)). **Exemple chiffré** : sur une carte au 1 : 25 000, un segment mesure 3,2 cm. \(D_{\text{carte}} = 0,032 m\). \(D_{\text{sol}} = 0,032 m \times 25 000 = 800 m\). La distance réelle entre les deux points est donc **800 m**. ### 3. Jointure attributaire et overlay Une fois les couches géométriquement alignées, on enrichit la carte de base avec des informations attributaires. - **Jointure par attribut** : utiliser un champ commun (ex. : code INSEE de la commune) pour attacher les données du recensement (population, densité) à la couche limites administratives. - **Overlay (superposition)** : réaliser une intersection (intersect) entre la couche routière et la couche d’occupation des sols pour obtenir la longueur de routes traversant chaque type de sol (forestier, agricole, urbain). - **Calcul de champs dérivés** : créer un nouveau champ « densité_routière » = longueur_route (m) / superficie_cellule (ha). > **> Astuce professionnelle** : toujours vérifier que les types de champs sont compatibles (ex. : entier vs réel) avant d’effectuer la jointure, sous peine de perdre des lignes. ### 4. Normalisation et homogénéisation Pour garantir la cohérence de la carte de base, on applique des règles de normalisation : - **Unités** : toutes les longueurs en mètres, les surfaces en hectares, les altitudes en mètres au-dessus du niveau de la mer (m NGF). - **Codification** : adopter le code géographique officiel du Cameroun (ex. : région = 2 chiffres, département = 2 chiffres, arrondissement = 2 chiffres, commune = 3 chiffres) provenant du RGPH 2005. - **Validation des valeurs** : définir des plages autorisées (ex. : altitude entre 0 et 4 100 m) et signaler les valeurs hors plage via une requête SQL ou l’outil « Sélection par attribut ». > **> Contrôle de qualité** : générer un rapport de validation (nombre d’entités, pourcentage de valeurs nulles, écart-type des altitudes) avant de passer à l’étape de remédiation. --- ## II. Activités de remédiation ### 1. Détection et correction des erreurs géométriques Les erreurs géométriques les plus fréquentes sont les **décalages**, les **doublons** et les **géométries nulles**. - **Détection** : utiliser l’outil « Géométrie valide » (QGIS) ou « Check Geometry » (ArcGIS) pour lister les entités avec géométrie invalide (auto‑intersection, coordonnées NaN). - **Correction des décalages** : appliquer un **déplacement vectoriel** (shift) basé sur le vecteur moyen des erreurs relevées aux points de contrôle (ex. : +2,3 m E, –1,7 m N). - **Suppression des doublons** : exécuter « Supprimer les doublons » sur un champ d’identifiant unique (ex. : OSM_id) ou sur la géométrie identique avec une tolérance de 0,5 m. > **> Règle de correction** : toute modification géométrique doit être enregistrée dans un calque de suivi (« édition ») permettant de revenir à l’état antérieur si nécessaire. ### 2. Nettoyage topologique La topologie garantit que les entités partagent correctement leurs frontières (aucuns overlaps, aucun gaps). - **Règles topologiques de base** : 1. **Must Not Overlap** (les polygones d’occupation des sols ne doivent pas se chevaucher). 2. **Must Not Have Gaps** (les limites administratives doivent former une couverture continue). 3. **Must Not Have Dangles** (les lignes de réseau routier ne doivent pas présenter d’extrémités libres sauf aux points de terminaison réels). - **Outils** : créer une topologie dans un GeoPackage, ajouter les règles, puis valider avec l’outil « Valider la topologie ». Les erreurs sont listées et peuvent être corrigées automatiquement (snapping) ou manuellement. > **> Exemple de snapping** : régler la tolérance d’accrochage à 1 m ; les sommets situés à moins de cette distance d’une autre géométrie seront déplacés pour coïncider exactement. ### 3. Conflation et mise à jour La conflation consiste à fusionner deux versions d’une même couche (ex. : ancienne carte routière issue du IGN 2015 et nouvelles relevés GPS 2023) en conservant les meilleures informations. - **Étapes** : 1. **Alignement** : reprojeter les deux couches sur le même SRID. 2. **Détection des différences** : utiliser l’outil « Symmetrical Difference » pour obtenir les segments présents dans une seule des deux couches. 3. **Attribution de priorité** : définir une hiérarchie de sources (ex. : GPS terrain > imagery Sentinel > carte IGN). 4. **Fusion** : conserver les segments de la source prioritaire, remplacer ceux de la source inférieure uniquement lorsqu’ils corrigent une erreur détectée (ex. : déplacement d’un tronçon de route). 5. **Réattribution des attributs** : transférer les attributs de la couche source vers la géométrie résultante (ex. : nombre de voies, revêtement). > **> Point de contrôle** : après conflation, recalculer les longueurs totales et les comparer aux valeurs connues (ex. : longueur totale du réseau routier national publiée par le MINTP) ; un écart inférieur à 2 % est considéré comme acceptable. ### 4. Contrôle de qualité et métadonnées Avant la livraison finale, on établit un **rapport de qualité** conforme à la norme ISO 19115. - **Éléments du rapport** : - **Exactitude positionnelle** (RMSE) ; - **Exhaustivité** (pourcentage d’entités attendues présentes) ; - **Logique attributaire** (pourcentage de valeurs conformes aux domaines) ; - **Métadonnées** : titre, date de création, responsable, système de référence, échelle de résolution, procédé de production, restrictions d’accès. > **> Bonne pratique** : conserver une copie non modifiée (« version brute ») et une version « finale » dans un dépôt de gestion de version (ex. : GitLFS) afin de garantir la traçabilité. --- ## Synthèse du chapitre - **Objectif** : produire une carte de base géométriquement exacte, topologiquement cohérente et à jour, prête à l’analyse territoriale. - **Intégration** : préparation des données (format, SRID, résolution), géoréférencement (GCPs, transformation, RMS), jointure attributaire et overlay, normalisation (unités, codification, plages de valeurs). - **Remédiation** : détection/correction des erreurs géométriques (décalages, doublons, géométries nulles), nettoyage topologique (règles Must Not Overlap/Gaps/Dangles, snapping), conflation (alignement, différence symétrique, priorité de sources, fusion), contrôle de qualité (ISO 19115, rapport RMSE, exhaustivité, logique attributaire) et métadonnées. - **Outils usuels** : QGIS/ArcGIS (géoréférencement, jointure, overlay, topologie, conflation), tableur (vérification attributaire), GPS terrain (points de contrôle), serveur de métadonnées (GeoNetwork). - **Normes de référence** : selon la longitude, utiliser l’UTM zone 32N (EPSG 32632) pour 6°‑12° E ou l’UTM zone 33N (EPSG 32633) pour 12°‑18° E, ou une projection nationale conforme (ex. : Lambert Conformal Conic) ; ISO 19115 (métadonnées), spécifications MINESEC/IGE pour les cartes de base scolaires. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | **SRID** | Identifiant du système de référence spatiale (ex. : EPSG 32632). | | **GCP** | Ground Control Point, point de contrôle utilisé pour le géoréférencement. | | **RMS** | Root Mean Square Error, erreur quadratique moyenne résiduelle après transformation. | | **Overlay** | Opération de superposition de couches géospatiales (intersection, union, différence). | | **Topologie** | Ensemble de règles régissant les relations spatiales entre entités (adjacence, connexion, containment). | | **Conflation** | Processus de fusion de deux versions d’une même couche en privilégiant la meilleure source. | | **Metadata** | Métadonnées, données décrivant le contenu, la qualité, l’origine et les conditions d’usage d’un jeu de données géospatiales. | | **Snapping** | Accrochage automatique des sommets à une géométrie voisine dans une tolérance donnée. | | **RMSE positionnel** | Erreur quadratique moyenne entre les coordonnées mesurées et les coordonnées réelles, exprimée en mètres. | | **Scale denominator** | Valeur de l’échelle d’une carte (ex. : 1 : 50 000 → dénominateur = 50 000). | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Géoréférencement d’une image satellite **Situation** : Vous disposez d’une image Sentinel‑2 de 10 m de résolution couvrant la ville de Garoua. Vous avez relevé quatre points de contrôle GPS avec les coordonnées suivantes (UTM 32N, WGS 84) : | Point | X (m) | Y (m) | |-------|-------|-------| | GCP1 | 523 450 | 1 210 300 | | GCP2 | 525 120 | 1 210 300 | | GCP3 | 523 450 | 1 208 600 | | GCP4 | 525 120 | 1 208 600 | Dans l’image, les mêmes points apparaissent aux coordonnées pixel (colonne, ligne) : | Point | Colonne | Ligne | |-------|---------|-------| | GCP1 | 120 | 80 | | GCP2 | 340 | 80 | | GCP3 | 120 | 300 | | GCP4 | 340 | 300 | **Question** : Déterminez les paramètres de transformation affine (échelle, rotation, translation) qui permettent de passer du système pixel au système UTM, puis calculez les coordonnées UTM du pixel situé à la colonne 200, ligne 180. **Corrigé** : Une transformation affine s’écrit : \[ \begin{bmatrix} X \\ Y \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} a & b \\ c & d \end{bmatrix} \begin{bmatrix} col \\ lig \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} e \\ f \end{bmatrix} \] Nous résolvons pour les huit inconnues (a,b,c,d,e,f) en utilisant les quatre points (équations séparées pour X et Y). **Équations X** : \[ \begin{cases} a·120 + b·80 + e = 523 450 \\ a·340 + b·80 + e = 525 120 \\ a·120 + b·300 + e = 523 450 \\ a·340 + b·300 + e = 525 120 \end{cases} \] En soustrayant la première de la deuxième : \[ a·(340-120) = 525 120-523 450 \Rightarrow a·220 = 1 670 \Rightarrow a = \frac{1 670}{220}=7,5909\; \text{m/pixel} \] En soustrayant la troisième de la quatrième : même résultat, donc a confirmé. Pour b, on utilise la première et la troisième équation (même X) : \[ a·120 + b·80 + e = a·120 + b·300 + e \Rightarrow b·80 = b·300 \Rightarrow b = 0 \] Donc pas de décalage en X lié à la ligne. On trouve e en remplaçant dans la première équation : \[ e = 523 450 - a·120 - b·80 = 523 450 - 7,5909·120 = 523 450 - 910,91 = 522 539,09\; \text{m} \] **Équations Y** : \[ \begin{cases} c·120 + d·80 + f = 1 210 300 \\ c·340 + d·80 + f = 1 210 300 \\ c·120 + d·300 + f = 1 208 600 \\ c·340 + d·300 + f = 1 208 600 \end{cases} \] Première moins deuxième donne : \[ c·(340-120) = 0 \Rightarrow c·220 = 0 \Rightarrow c = 0 \] Première moins troisième : \[ d·80 - d·300 = 1 210 300 - 1 208 600 \Rightarrow d·(-220) = 1 700 \Rightarrow d = -\frac{1 700}{220}= -7,7273\; \text{m/pixel} \] On trouve f avec la première équation : \[ f = 1 210 300 - c·120 - d·80 = 1 210 300 - 0 - (-7,7273·80) = 1 210 300 + 618,18 = 1 210 918,18\; \text{m} \] **Transformation finale** : \[ X = 7,5909·col + 0·lig + 522 539,09 \\ Y = 0·col -7,7273·lig + 1 210 918,18 \] **Application au pixel (200,180)** : \[ X = 7,5909·200 + 522 539,09 = 1 518,18 + 522 539,09 = 524 057,27\; \text{m} \] \[ Y = -7,7273·180 + 1 210 918,18 = -1 390,91 + 1 210 918,18 = 1 209 527,27\; \text{m} \] **Résultat** : le pixel (200,180) correspond aux coordonnées UTM 32N **X ≈ 524 057 m**, **Y ≈ 1 209 527 m**. --- ### Exercice 2 – Nettoyage topologique d’une couche de limites communales **Situation** : La couche « limites_communales.shp » du département du Mayo‑Kani présente 12 overlaps et 5 gaps détectés par l’outil de validation topologique. Les overlaps représentent une superficie totale de 3,4 ha ; les gaps représentent une longueur totale de 280 m de frontière manquante. **Question** : Procédez au nettoyage topologique en appliquant les règles suivantes : 1. Supprimer les overlaps en conservant la limite de la commune ayant le plus grand code INSEE. 2. Fermer les gaps en créant une ligne reliant les deux sommets les plus proches, en attribuant à cette nouvelle ligne le code INSEE de la commune de gauche. Après ces opérations, calculez la nouvelle superficie totale du département si la superficie initiale était 4 850 ha. **Corrigé** : - Suppression des overlaps : on retire la superficie des overlaps (3,4 ha) car elle était comptée deux fois. La nouvelle superficie devient : \[ S_1 = 4 850 - 3,4 = 4 846,6\; \text{ha} \] - Fermeture des gaps : l’ajout d’une ligne ne crée pas de superficie (c’est une frontière linéaire). Donc la superficie reste inchangée. **Superficie finale** : **4 846,6 ha**. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | # | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |---|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier de reprojeter toutes les couches avant une jointure | Décalages de plusieurs centaines de mètres, résultats faux | Vérifier systématiquement le SRID de chaque couche ; utiliser la barre inférieure du SIG pour afficher le SRID courant. | | 2 | Utiliser une tolérance de snapping trop élevée (ex. : 10 m) lors du nettoyage topologique | Fusion inadvertée de limites distinctes, création d’artefacts géométriques | Définir la tolérance de snapping à une valeur inférieure à la moitié de la résolution minimale des données (ex. : ≤ 0,5 m pour du GPS, ≤ 5 m pour du Sentinel‑2). | | 3 | Ne pas sauvegarder une copie de travail avant d’appliquer une transformation de masse | Perte irréversible des données originales en cas d’erreur | Toujours travailler sur une copie (« édition ») et conserver le fichier original en lecture‑seule dans un dossier « archive ». | | 4 | Saisir des attributs hors du domaine autorisé (ex. : altitude négative pour une zone de montagne) | Incohérences pouvant fausser les analyses de risque | Mettre en place des domaines d’attributs (liste de valeurs, plages numériques) dans le schéma de la couche et activer la validation lors de la saisie. | | 5 | Négliger de mettre à jour les métadonnées après une modification | Impossible de retracer la provenance et la date de la dernière mise à jour | Après chaque opération significative (géoréférencement, conflation, nettoyage), mettre à jour les champs « date de modification », « responsable », « procédé » dans le fichier de métadonnées (XML ou GeoPackage). | | 6 | Effectuer une jointure attributaire sans vérifier l’unicité de la clé | Duplication ou suppression inattendue d’enregistrements | Avant la jointure, exécuter une requête « SELECT COUNT(*) FROM table GROUP BY clé HAVING COUNT(*)>1 » ; éliminer les doublons ou choisir une clé composée. | --- *Fin de la fiche de cours.*