Géoréférencement et systèmes de coordonnées
Le géoréférencement consiste à utiliser des coordonnées cartographiques pour affecter un emplacement spatial à des entités cartographiques. Tous les éléments d'une couche de carte ont une position et une étendue géographiques spécifiques qui leur permettent d'être repérés sur la surface de la terre, ou près de celle-ci. La capacité de localiser avec précision des entités géographiques est essentielle pour la cartographie et le SIG.
Pour être adéquate, la description de l'emplacement et de la forme des entités nécessite une structure de coordonnées permettant de définir les emplacements réels. Un système de coordonnées géographiques permet d'associer des emplacements géographiques à des objets. Un système de coordonnées longitude/latitude global est un exemple de ce type d'infrastructure. Un système de coordonnées planaire ou cartésien dérivé de l'infrastructure globale en est un autre exemple.
Les cartes représentent des emplacements à la surface de la Terre à l'aide de grilles, de graticules et de croisillons étiquetés en utilisant plusieurs emplacements au sol [en degrés de longitude-latitude et en unités de systèmes de coordonnées projetées (en mètres UTM, par exemple)]. Les éléments géographiques contenus dans plusieurs couches sont affichés selon un ordre spécifique (en se superposant) pour l'étendue de carte donnée.
Les jeux de données SIG contiennent des positions dans un système de coordonnées global ou cartésien pour enregistrer des localisations et des formes géographiques. Il est ainsi possible de superposer plusieurs couches de données SIG sur la surface de la Terre.
Latitude et longitude
Les mesures sphériques de latitude et de longitude constituent une méthode pour décrire la position d'un emplacement géographique sur la surface de la Terre. Elles correspondent aux angles mesurés (en degrés) depuis le centre de la Terre vers un point de surface. Ce type de système de coordonnées de référence est souvent appelé système de coordonnées géographiques.
Les angles de longitude sont mesurés selon un axe est-ouest. Les mesures de longitude sont traditionnellement basées sur le méridien principal, qui est une ligne imaginaire reliant le pôle Nord au pôle Sud en passant par Greenwich, en Angleterre. Cet angle correspond à la longitude 0. Les mesures de longitude relevées à l'ouest du méridien principal sont généralement négatives et celles relevées à l'est sont positives. Par exemple, Los Angeles, en Californie se situe approximativement à une latitude de + 33 degrés, 56 minutes et à une longitude de - 118 degrés, 24 minutes.
Bien que la longitude et la latitude permettent de localiser des positions exactes à la surface du globe, elles ne constituent pas des unités de mesure de longueur et de distance uniformes. C'est uniquement le long de l'équateur que la distance représentée par un degré de longitude avoisine la distance représentée par un degré de latitude. En effet, l'équateur est le seul parallèle dont la largeur est égale à celle d'un méridien. (Les cercles dont le rayon est égal à celui de la terre sphérique sont appelés grands cercles. L'équateur et tous les méridiens sont des grands cercles.)
Au-dessus et au-dessous de l'équateur, les cercles définissant les parallèles de latitude rétrécissent progressivement jusqu'à devenir un seul point aux pôles Nord et Sud, à l'endroit où les méridiens convergent. Au fur et à mesure que les méridiens convergent en direction des pôles, la distance représentée par un degré de longitude est réduite à zéro. Sur l'ellipsoïde Clarke 1866, un degré de longitude à l'équateur est égal à 111,321 kilomètres, alors qu'à 60° de latitude, il est égal à seulement 55,802 kilomètres. Les degrés de latitude et de longitude étant dépourvus de longueur standard, vous ne pouvez pas mesurer correctement de distances ou de surfaces ou afficher facilement les données sur une carte plane ou un écran d'ordinateur. L'utilisation de la plupart (mais pas de toutes) les applications d'analyse et de cartographie SIG nécessite souvent une structure de coordonnées planaire plus stable, fournie par les systèmes de coordonnées projetées. Quelques-uns des algorithmes utilisés pour les opérateurs spatiaux prennent également en considération le comportement géométrique des systèmes de coordonnées sphériques (géographiques).
Projections cartographiques à l'aide de coordonnées cartésiennes
Un système de coordonnées projetées est un système de coordonnées conçu pour des surfaces planes comme une carte imprimée ou un écran d'ordinateur.
Les systèmes de coordonnées cartésiens 2D et 3D fournissent le mécanisme de description de la localisation géographique et la forme d'entités à l'aide de valeurs x et y (de plus, comme vous lirez ultérieurement, ils utilisent les colonnes et les lignes des rasters).
Le système de coordonnées cartésien s'appuie sur deux axes : horizontal (x), représentant la direction est-ouest, et vertical (y), représentant la direction nord-sud. Le point d'intersection de ces axes s'appelle l'origine. Les emplacements des objets géographiques sont définis par rapport à l'origine à l'aide des notations (x,y), où x fait référence à la distance le long de l'axe horizontal et y à la distance le long de l'axe vertical. L'origine correspond à (0,0).
Dans l'illustration ci-dessous, la notation (4, 3) repère un point situé à quatre unités positives sur x et trois unités positives sur y, à partir de l'origine.
Systèmes de coordonnées 3D
Les systèmes de coordonnées projetées utilisent également, et de plus en plus, une valeur Z pour mesurer l'altitude au-dessus ou en dessous du niveau moyen de la mer.
Dans l'illustration ci-dessous, la notation (2, 3, 4) repère un point situé à deux unités positives sur x, trois unités positives sur y, à partir de l'origine, et dont l'altitude correspond à quatre unités au-dessus de la surface de la Terre (ce qui équivaut à 4 mètres au-dessus du niveau moyen de la mer).
Propriétés et distorsion dans les projections cartographiques
Comme la Terre est sphérique, les cartographes et les professionnels du SIG doivent relever le défi qui consiste à représenter le monde réel à l'aide d'un système de coordonnées planaires. Pour comprendre ce dilemme, imaginez que vous vouliez aplatir la moitié d'un ballon de basket : vous n'y parviendrez pas sans changer sa forme ou créer des surfaces de discontinuité. Le processus qui consiste à aplatir la Terre s'appelle une projection, d'où le terme projection cartographique.
Un système de coordonnées projetées se définit sur une surface plane, à deux dimensions. Des coordonnées projetées peuvent être définies pour des jeux de données en 2D (x,y) ou 3D (x,y,z), où les mesures x,y représentent l'emplacement sur la surface de la Terre et z la hauteur au-dessus ou en dessous du niveau moyen de la mer.
Contrairement à un système de coordonnées géographiques, un système de coordonnées projetées possède des longueurs, des angles et des surfaces constants dans les deux dimensions. Cependant, toutes les projections cartographiques représentant la surface de la Terre sous forme de carte plane créent une distorsion de la surface, de la distance, de la forme ou de la direction.
Les utilisateurs compensent ces limitations en utilisant des projections cartographiques adaptées à l'usage prévu, à leur emplacement géographique et à l'étendue. Les logiciels SIG peuvent également transformer les informations d'un système de coordonnées à un autre afin d'intégrer des jeux de données contenus dans de multiples systèmes de coordonnées et permettre l'exécution des différents workflows principaux.
De nombreuses projections cartographiques sont conçues pour des usages spécifiques. Une projection cartographique peut être utilisée pour conserver la forme, alors qu'une autre sera utilisée pour conserver la surface (projection conforme contre projection équivalente).
Ces propriétés, la projection cartographique (avec Ellipsoïde et Datum), deviennent des paramètres importants dans la définition du système de coordonnées pour chaque jeu de données SIG et chaque carte. En enregistrant des descriptions détaillées de ces propriétés pour chaque jeu de données SIG, les ordinateurs peuvent reprojeter et transformer à la volée les localisations géographiques d'éléments de jeu de données dans tout système de coordonnées approprié. En conséquence, il est possible d'intégrer et de combiner les informations de plusieurs couches SIG indépendamment de leurs systèmes de coordonnées. C'est une fonction fondamentale du SIG. La précision de la localisation sous-tend presque toutes les opérations SIG.