SIG : Analyser le monde en 3D

Traduit par Stanislas Pachulski

Avec l’aimable autorisation d'alexsl / iStockphoto

Tremblements de terre, climat mondial ou placement des fermes d’éoliennes – avec l’aide des systèmes d’information géographique, il est possible de découvrir tout cela en classe de façon dynamique. Joseph Kerski décrit comment.

Les SIG : une perspective spatiale

Depuis plus de 2 500 ans, les gens sont fascinés par la géographie, l’étude de notre planète. La géographie est aussi la science de la vision spatiale – comment les phénomènes interagissent entre eux dans l’espace, à une échelle locale, régionale ou mondiale. Aujourd’hui, cette géoscience est particulièrement pertinente pour des problèmes comme le changement climatique, l’érosion de la biodiversité, l’agriculture concertée ou développement durable, la qualité et la quantité d’eau, l’énergie et les risques naturels grandissent non seulement en importance mais affectent aussi nos vies quotidiennes. Afin de traiter ces problèmes, nous devons avoir des modèles et des tendances de tout depuis une échelle mondiale jusqu’au niveau d’une municipalité.

Pour étudier ces tendances, les géographes passent aux systèmes d’information géographique (SIG). A la différence des cartes traditionnelles, le SIG va au-delà des objets bidimensionnels statiques, les cartes individuelles peuvent être manipulées et combinées avec d’autres cartes, des graphiques, des bases de données et des objets multimédia.

Le G de SIG représente la géographie – la carte par exemple, une carte topographique 2D ou 3D, une carte des sols acides, des écosystèmes, ou des bassins versants, ou une image satellite. Le I représente l’information derrière la carte, qui est stockée dans une base de données. Pour les rivières par exemple, l’information peut décrire si la rivière est pérenne ou saisonnière, ou comment sa conductivité ou salinité varie au cours du temps ou dans son cours. Le S représente le système qui connecte la carte et la base de données. En sélectionnant un composant sur la carte, l’utilisateur sélectionne simultanément ses attributs dans la base de données (et vice versa). Leur permettant d’être manipulé.

Avec l’aide de centaines d’outils spécifiques aux SIG, les données peuvent être manipulées et combinées de différentes façons. Par exemple, avec l’outil proximité il est possible de trouver tous les tremblements de terre qui ont eu lieu dans un rayon de 100 km autour de Francfort-sur-le-Main, Allemagne, l’outil de superposition permet de réduire la recherche aux tremblements de terres qui se sont produits dans des sols alluviaux situés dans des zones fortement peuplées.

Utiliser les SIG à l’école

A l’école, hormis en géographie, les SIG peuvent être utilisés en biologie, en chimie, en sciences de la terre, en sciences de l’environnement, en histoire, en mathématiques et dans d’autres matières. Cela peut aider les étudiants de tous niveaux à avoir un œil critique et à utiliser de vraies données, ainsi qu’à exercer leur mémoire visuelle de façon attrayante.

Une large variété de sujets peut être explorée: les relations entre personnes, le climat, l’aménagement de l'espace, la végétation, l’hydrologie, les aquifères, les sols, les paysages, les risques naturels et bien plus encore. Par exemple, comment le changement climatique affecte la production mondiale de nourriture? Quelle est la relation entre le taux de natalité et l’espérance de vie? Comment le drainage minier acide dans une chaîne de montagnes affecte la qualité de l'eau en aval? Comment les changements démographiques associés à la taille des plus petits ménages affectent l’étalement urbain? Quel est le meilleur emplacement pour une installer une nouvelle ferme d’éolienne? Comment un projet de magasins d’usine affecte le modèle de circulation de la communauté et l’aménagement de l’espace?

Les SIG peuvent être utilisés de 3 façons.

En utilisant un logiciel de SIG bureautique, comme le logiciel professionnel ArcGIS ou des logiciels disponibles gratuitement comme ArcGIS Explorer^w1 et ArcExplorer Edition Java pour l’éducation^w2, les étudiants peuvent analyser les données qu’ils ont collectées et stockées en local. Par exemple, ils peuvent analyser la hauteur et les espèces d’arbres de leur cours d’école.

En utilisant un SIG au travers d’un navigateur web, les étudiants peuvent analyser un plus large type de données, par exemple, ils peuvent utiliser le site web «This Dynamic Planet»^w3 pour étudier les relations entre les tremblements de terre et les volcans, la tectonique des plaques et le taux de dérive des continents. Ils peuvent utiliser Worldmapper^w4 pour voir la distribution de plus de 700 variables en ligne, incluant la déforestation et la répartition et l’extraction des minéraux, ou télécharger des données.

Enfin, les étudiants peuvent combiner un logiciel de SIG bureautique et ces outils associés avec des données téléchargées depuis Internet. Par exemple, pour analyser l’inondation potentielle des rivières de leur commune et les feux de forêts actuels à travers le monde en utilisant de vraies données et des fonds de plan en 3 dimensions, ils peuvent utiliser ArcGIS et télécharger également des images satellites locales et des cartes topographiques depuis ArcGIS Online^w5.

Chacune de ces méthodes a ces avantages. Le logiciel bureautique offre des outils analytiques plus performants, alors que le SIG en ligne est plus facile à utiliser et nécessite seulement un navigateur Internet.

Ci-dessous, 2 exemples d’analyses avec des SIG qui pourront être réalisés à l’école.

Analyse des tremblements de terre récents avec un SIG

Disons que vous avez lu un article déclarant que le tremblement de terre d’Haïti et ses répliques en Janvier 2010 étaient inhabituel parce qu’ils avaient une forte magnitude et parce que les tremblements de terre sont rares en Haïti. Vous voulez savoir si cela est vrai. Cela peut-être fait avec un logiciel de SIG bureautique et des données téléchargées sur Internet.

Parce que les tremblements de terre sont toujours des phénomènes 3D, vous allez devoir télécharger un logiciel SIG 3D, par exemple ArcGIS Explorer^w1 (gratuit, pour Windows seulement).

A partir du catalogue des séismes^w6 de l’USGS (Institut de Géologie des Etats-Unis d’Amérique), accédez à un fichier texte séparé par des virgules de données sur les tremblements de terre de Janvier et Février 2010. Faites cela en sélectionnant «Earthquakes» à gauche, et ensuite «Search for an earthquake». Lancez une recherche générale, sélectionnez le format tableur (comma delimited), avec magnitudes 6 et plus (utiliser 10 comme magnitude maximum), depuis le 1^er Janvier jusqu’au 28 Février 2010. Copiez et sauvegardez le fichier texte résultant, qui inclura les dates, les lieux, les magnitudes et intensités des épicentres des séismes autour du monde.

Dans un éditeur de texte, enlevez les lignes au dessus et en dessous des données à l’exception de la ligne d’entêtes. Dans l’entête, enlevez les parenthèses et sauvegardez de nouveau le fichier.

Dans ArcGIS Explorer, utilisez le menu Outils ou «Ajouter un Contenu» pour ajouter vos données sur les séismes à partir des coordonnées X-Y dans leur emplacements corrects (voir l’image ci-dessous).

Ajout des données séismes dans ArcGIS Explorer
Avec l’aimable autorisation d’ESRI

Que remarquez-vous sur la répartition spatiale des lieux de tremblement de terre mondiaux ? Pourquoi les tremblements de terre ne sont pas répartis de façon uniforme autour du monde?

A partir d’ArcGIS Online^w5, ouvrez la couche (layer) «plate boundaries» et la couche «Earthquakes January 2004 to April 2007» dans ArcGIS Explorer, afin que vous puissiez étudier la relation entre les limites de plaques et les emplacements, les magnitudes et intensités de plus de 60 000 tremblements de terre. En cliquant sur un séisme, vous pouvez voir la date, l’heure, la magnitude, le lieu et l’intensité de ce séisme (voir l’image ci-dessous).

Ouverture des couches depuis ArcGIS Online dans ArcGIS
Avec l’aimable autorisation d’ESRI

Pourquoi certaines limites de plaques subissent des tremblements de terre fréquents alors que d’autres sont relativement calmes? Le long de quel type de limites de plaques se trouvent les tremblements de terre les plus profonds? Et les plus superficiels? Pourquoi?

Vous verrez que les dorsales subissent un nombre modéré de séismes qui ont des profondeurs de moins de 10 km, alors que les zones de subduction (là où une plaque s’enfonce sous une autre) sont sujets à des tremblements de terre plus fréquents qui sont à la fois plus profonds et plus intenses.

Zoomez sur Haïti et vous verrez que l’article de journal était bon: la plupart des tremblements de terre de la région durant les 3 dernières années se sont produit dans une vaste zone s’étendant au large de la côte nord est d’Hispaniola (indiquée par les points rouges dans l’image ci-dessous) mais les séismes de Janvier et Février 2010 sont concentrés dans un cluster étroit sur la côte ouest de l’ile, en Haïti (indiquée par les points jaunes). Selon vous quels tremblements de terre sont des répliques, et pourquoi?

Séismes en Haïti et autour
Avec l’aimable autorisation d’ESRI

Autres questions que les étudiants pourraient se poser:

Comment et pourquoi les limites de plaques diffèrent et comment leurs mouvements se transforment en différents types et nombres de séismes?
Comment le mouvement des plaques impacte les populations vivant à proximité, et aussi celles plus éloignées (par les tsunamis)?
A quelle distance moyenne de la zone de subduction le long de la bordure ouest de l’Amérique du Sud se produisent les tremblements de terre et que racontent cette distance et la profondeur du séisme sur le type de limites de plaques qui existe à cet endroit?
Pensez-vous que le fait qu’il n’y avait pas eu en Haïti de tremblements de terre entre 2004 et 2007 a contribué à la pression tectonique qui engendra un tremblement de terre d’une magnitude de 7.0 en Janvier 2010?
Qu’ont en commun les répliques?
Le séisme du Chili un mois plus tard était plus gros qu’en Haïti, mais le nombre de morts moins important. Quels sont les effets du code de construction sur les dommages liés aux séismes dans la région? (voir aussi Marazzi & Tirelli, 2010.)

Analyser le climat mondial avec les SIG

La classe peut mener d’autres études avec un SIG comme l’analyse du climat mondial.

Téléchargez le SIG gratuit ArcExplorer Edition Java pour l’Education^w2 (pour Windows ou Mac).

Ouvrez le projet worldclimate_hd pour afficher les couches de données incluant: la végétation, les températures minimum et maximum de Juillet, les températures minimum et maximum de Janvier, la moyenne des précipitations, le relief; les pays et une grille Longitude/Latitude de 30 degré (voir l’image ci-dessous).

Projet Worldclimate_hd
Avec l’aimable autorisation d’ESRI

Cliquez sur la couche des pays et utilisez le menu qui s’affiche pour mettre des étiquettes sur les pays.

Pourquoi le modèle de températures de Janvier est-il différent de celui de Juillet? A partir de la carte, pouvez-vous voir à quel moment de l’année est-ce l’été dans l’hémisphère nord et quand est-ce l’été dans l’hémisphère sud? Quelle influence a la latitude sur les températures?

Quelle est la différence entre les températures minimum et maximum de Juillet? Y a-t-il des régions qui subissent des oscillations de température quotidiennes de plus de 20°C? Où sont ces régions? Quel est l’effet de l’océan sur ces oscillations quotidiennes de température et sur les températures maximum autour du monde?

Activez la couche de la carte des reliefs (voir l’image ci-dessous).

Couche de la carte des reliefs
Avec l’aimable autorisation d’ESRI

Quel effet produit le relief sur la température? Est-ce que le relief est aussi important que la latitude en tant que facteur déterminant des températures?

Ensuite, examinez la couche de la carte de végétation (voir l’image ci-dessous).

Couche de la carte de végétation
Avec l’aimable autorisation d’ESRI

Quel type de végétation primaire recouvre le Gabon, Oman et le Japon? Comment le climat est-il lié à la végétation? Quelle végétation est prédominante dans les régions de plus de 2000 mètres d’altitude? Déplacer votre souris jusqu’à l’équateur et décrivez le changement de végétation quand vous traversez l’Amérique du Sud, l’Afrique et le Sud-est Asiatique le long de l’équateur. Quels changements sur la végétation et le climat observez-vous quand vous vous déplacez au nord le long du Méridien d’origine depuis le Ghana jusqu’en Grande Bretagne?

Zoomez sur la région où vous vivez. Déterminez les variations de température quotidienne en Janvier et Juillet et comparez les températures maximum de Janvier et de Juillet de votre région.

Comment sont les températures, les précipitations et les altitudes comparées aux autres régions du monde? Y a-t-il d’autres coins du monde où le climat, l’altitude et la végétation sont les mêmes que dans votre région? Si c’est le cas, où sont-ils?

Bibliographie

Marazzi F, Tirelli D (2010) La lutte contre les séismes: comment construire et tester des structures antisismiques. Science in School 15: 55-59. www.scienceinschool.org/2010/issue15/earthquakes/french

Références internet

w1 – ArcGIS Explorer est un logiciel SIG 3D pour Windows gratuit et téléchargeable, avec lequel vous pouvez explorer, visualiser et partager des informations SIG. Vous pouvez ajouter vos propres données à vos cartes ArcGIS Explorer et les combiner avec des données gratuites. Vous pouvez aussi personnaliser vos cartes en y ajoutant des photos, des rapports, des vidéos et d’autres informations. Pour télécharger ArcGIS Explorer, visualiser quelques démonstrations et en savoir plus sur son usage, visitez: www.esri.com/arcgisexplorer

Une version d’évaluation du logiciel professionnel SIG ArcGIS peut-être demandée ici: www.esri.com/software/arcgis/arcview

w2 – ArcExplorer édition Java pour l’éducation (AEJEE) est gratuit, logiciel SIG pour les plateformes Mac et Windows téléchargeable que vous pouvez utiliser pour examiner des modèles spatiaux, depuis une échelle locale à une échelle mondiale. Vous pouvez classifier, personnaliser et analyser des cartes et des images. Pour télécharger AEJEE, visiter: http://www.esri.com/software/arcexplorer/download-education.html

w3 – Des données sur les volcans, les séismes, les cratères d’impacts et les plaques tectoniques peuvent être analysées et téléchargées depuis le site web de «This Dynamic Planet». Voir: http://mineralsciences.si.edu/tdpmap

w4 – Worldmapper est une collection de cartes montrant la répartition mondiale de plus de 700 variables. Ces données peuvent être examinées visuellement en ligne ou téléchargées pour une analyse plus approfondie. Voir: www.worldmapper.org

w5 – Les fonds de plan, telles que celles indiquant la topographie, des images satellite, des rues, et la météo actuelle, peuvent être téléchargées et intégrées dans ArcGIS Explorer et les projets ArcGIS depuis le site web ArcGIS Online: www.arcgisonline.com

w6 – Le programme des risques de tremblement de terre de l’USGS (Institut de Géologie des Etats-Unis d’Amérique) fournit un catalogue des séismes à partir duquel des données sur les séismes peuvent être téléchargées. Voir: http://earthquake.usgs.gov

Ressources

Connectez-vous avec d’autres enseignants utilisant des SIG autour du monde et trouver des leçons, des jeux de données, des outils de cartographie en ligne, des logiciels, des évènements et plus via le Communauté ESRI pour l’Education: http://edcommunity.esri.com

Les enseignants peuvent partager et utiliser des trames de leçons pour utiliser des SIG via la librairie ArcLessons. Voir: http://edcommunity.esri.com/arclessons

ESRI a publié 4 livres contenant des leçons, des données, des logiciels et évaluations pour les étudiants de tous niveaux. Les leçons abordent des sujets sur la biodiversité, les risques naturels et le climat entre autres. Pour en savoir plus sur ces livres en Anglais, voir: www.esri.com/ourworldgiseducation

Gewin V (2004) Mapping opportunities. Nature 427: 376-377. doi: 10.1038/nj6972-376a
Télécharger l’article gratuitement ici, ou s’abonner à Nature aujourd’hui: www.nature.com/subscribe

National Academy of Sciences (2006) Learning to Think Spatially—GIS as a Support System in the K-12 Curriculum. Washington, DC, USA: The National Academies Press. ISBN: 0309092086

Sui DZ (1995) A pedagogic framework to link GIS to the intellectual core of geography. Journal of Geography 94: 578-591. doi: 10.1080/00221349508979371

Si vous avez apprécié cet article, jetez un oeil à d'autres articles sur les Sciences de la terre dans Science in School. Voir: www.scienceinschool.org/earthscience

Joseph Kerski est directeur de l’éducation chez ESRI (Institut de recherche sur les systèmes environnementaux), où il développe des programmes d’enseignement à base de SIG, bâti des cours de perfectionnement professionnel pour les éducateurs, développe et entretient des partenariats éducatifs pour la promotion de l'analyse spatiale en matière d'éducation, et mène des recherches sur la mise en œuvre et l'efficacité des SIG dans l'éducation. Avant de rejoindre ESRI, Joseph était géographe à l’USGS et à US Census Bureau, et enseignait le SIG et la géographie dans plusieurs écoles secondaires et universités.

ESRI est une société dédiée au développement des logiciels SIG que des millions de personnes à travers le monde utilisent quotidiennement pour prendre de meilleures décisions dans les agences gouvernementales (collectivités territoriales), les organisations non-gouvernementales, les industriels et l’enseignement. L’équipe Education d’ESRI supporte le SIG à tous les niveaux de l’éducation, dans l’enseignement, dans les politiques éducatives et l’administration scolaire.

Opinion

Tout le monde a entendu parler du SIG comme l'ultime ressource de la cartographie, cet article donne aux enseignants la possibilité d'exploiter cette ressource pour aborder les phénomènes géographiques.

Je recommande cet article aux enseignants d’école secondaires qui ont la volonté d’étudier plus à fond les aspects géographiques des sciences de la terre (tectonique des plaques, volcans, séismes), les sciences de l’environnement (géomorphologie, climat, ressources naturelles, pollution, risques naturels), biologie (biodiversité, répartition des espèces) et même l’histoire (démographie, migrations) depuis l’échelle locale jusqu’au niveau planétaire. Il y a de nombreuses opportunités pour des travaux interdisciplinaires.

L'utilisation des logiciels proposés nécessite quelques compétences en informatique et est soumis à des exigences spécifiques des logiciels.

La lecture de cet article fournira des éléments précieux avant un voyage scolaire géologique ou en tant qu’activité d’échauffement avant d’aborder un sujet de science de la terre. Il pourra être utilisé comme base de discussion autour des nombreux sujets mentionnés plus haut, en particulier, les événements importants tels que les tremblements de terre récents en Haïti et au Chili.

Giulia Realdon, Italie