Tous les articles par Saligny Laure

Un système d’information géo-historique pour l’étude des interactions entre le système de transport et les dynamiques de population

Une vieille question de recherche

Christophe Mimeur, THEMA, Dijon –

Résumé de la présentation lors du goûter du 12 Mars 2015

La question du lien entre réseau et territoire alimente la littérature scientifique depuis l’apparition même de ces deux termes. Pour autant, cette thèse part du constat d’un « vertigineux rétrécissement spatio-temporel » (BAVOUX, 2005). Jusqu’au début du XIXème siècle, on constate l’ « immense piétinement des Hommes » (BAVOUX, 2005), même si la traction hippomobile se développe avec le relais des postes royales. Pour autant, les nombreux arrêts nécessaires au changement des chevaux ne permet pas d’accroître de manière significative la vitesse moyenne des déplacements.

En revanche, l’invention du chemin de fer dans la décennie 1830 provoque la « révolution de la vitesse » (STUDENY, 1995). En l’espace de 20 ans, les vitesses moyennes sont multipliées par 6, et à cette époque, la « grande vitesse » est bien celle de la locomotive à vapeur. Cet effet multiplicateur est largement supérieur aux évolutions que l’on connaît au XXème siècle, puisque les vitesses moyennes n’ont été multipliées que par 3 depuis le début du XXème siècle, alors même que la grande vitesse aujourd’hui est largement connotée par les vitesses folles du TGV. Ce premier aperçu fait émerger la relativité de la notion de « grande vitesse ».

De ce fait, la question de recherche est celle de l’étude des interactions entre le système de transport et les dynamiques de population. Elle agite les communautés scientifiques et institutionnelles depuis l’apparition des premiers chemins de fer. Constatant l’évolution des vitesses sur le réseau ferroviaire depuis 1860, ce travail pose l’hypothèse que la longue durée puisse faire émerger de nouvelles interactions. Les dynamiques de population sont quant à elles envisagées sous le prisme de l’évolution démographique des communes françaises, « la taille démographique est un excellent résumé de très nombreuses propriétés fonctionnelles » (PUMAIN, 1997).

Du SIG-H à la base de données relationnelle

Ce travail s’inscrit dans le champ des Spatial Humanities ou GeoHumanities, deux termes cohabitant ces derniers temps. C’est d’abord sous l’angle du système d’information géo-historique que sont opérées les processus de collecte de données. Deux bases de données, démographiques et ferroviaires cohabitent donc, avec une structuration composite, adaptée de la méthode data stamping (VRANA, 1989), où chaque objet est défini par une date de début et une date de fin. La localisation est donc à la fois spatiale et temporelle. Les sources de données sont rassemblées dans le tableau ci-dessous.

Couches d’informations Base vectorielle Sources de digitalisation
Cartes Textes
Démographie IGN GeoFla Communes d’hier, communes d’aujourd’hui
Réseau ferroviaire IGN Route 500 SNCF, 1944 Histoire chronologique des chemins de fer. Trains oubliés, les petits trains de Jadis

Ce travail donne une place centrale à la notion d’accessibilité, comme indicateur d’analyse d’un réseau de transport. Elle est aussi celle qui permet de prendre en compte l’accélération des vitesses sur le réseau ferroviaire depuis sa création. Le calcul d’un temps de parcours passe par la transformation des données en un graphe, le long duquel des algorithmes de plus court chemin pourront être adaptés. Pour cela, il faut définir l’impédance de chaque tronçon ferroviaire, comme temps de parcours nécessaire à le parcourir.

 La qualification de ce graphe comme dynamique est valable pour 3 raisons :

  • Un tronçon ferroviaire n’existe pas à sur l’ensemble de la fenêtre temporelle ;
  • Le temps nécessaire pour le franchir est variable dans le temps ;
  • L’existence d’une gare comme point d’entrée du réseau est variable dans le temps.

En cela, les outils SIG traditionnels ne sont plus pertinents, compte tenu de la prise en compte du temps d’un côté, et de la masse de données de l’autre. C’est pour cela que l’on a recours au serveur de gestion de bases de donnes PostgreSQL, couplé à son extension spatiale PostGIS et au module permettant de parcourir un réseau pgRouting.

Dès lors, une matrice de gare à gare est obtenue sur la fenêtre temporelle 1860-1930, de 11 000 gares à 11 000 gares, représentant une table d’environ 50 Go.

Des parcours bimodaux

L’évolution du réseau montre que toutes les communes ne sont pas pourvues de gares. Or, l’objectif est bien d’obtenir une matrice de commune à commune. Il faut donc prendre en compte un temps de parcours de la commune jusqu’à la gare la plus proche, en amont et en aval du trajet ferroviaire. On se retrouve avec un chemin en 3 segments :

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 Pour autant, la lâcheté du réseau en 1860 nécessite d’opérer un arbitrage entre un temps de parcours par le réseau ferroviaire qui nécessite parfois de très grands détours, et un seul temps de parcours pédestre, plus direct et moins chronophage. La confrontation à une simple matrice pédestre est alors nécessaire.

Ces requêtes basées sur le principe des bases de données relationnelles sont néanmoins chronophages en calcul et représentent 50 minutes pour la seule région Bourgogne. Une estimation France Entière établit environ 8 jours de calcul nécessaire.

 L’analyse comme processus final mais fondamental

A l’issue de l’ensemble de ces traitements, l’objectif est bien d’analyser les liens entre ces indices d’accessibilité et les évolutions démographiques. Si l’on pointe souvent les lourdes étapes de collecte et de traitement dans le domaine des GeoHumanities, l’objectif est bien de dépasser ce stade pour apporter des réponses thématiques au lien entre réseau et territoire.

Différents dispositifs émergent :

  • Traitements économétriques
  • Traitements multivariées

Références :

Bavoux, Jean-Jacques, Francis Beaucire, Laurent Chapelon, and Pierre Zembri. 2005. Géographie Des Transports. Paris: A. Colin.

Pumain, Denise. 1997. “Pour Une Théorie Évolutive Des Villes.” Espace Géographique 26 (2): 119–34.

Studeny, Christophe. 1995. L’invention de La Vitesse: France, XVIIIe-XXe Siècle. Paris: Gallimard.

Vrana, Ric. 1989. “Historical Data as an Explicit Component of Land Information Systems.” International Journal of Geographical Information Systems 3 (1): 33–49.

Rendez-vous 2014 – 2015

Les rendez-vous pour 2014-2015 sont programmés les :

– Jeudi 6 Novembre 2014

– Jeudi 4 Décembre 2014

– Lundi 12 Janvier 2015

– Jeudi 5 Février 2015

– Jeudi 12 Mars 2015

– Jeudi 2 Avril 2015

– Jeudi 28 Mai 2015

De 15h à 17h à la Maison des salles de l’Homme de Dijon, salle de formation (1er étage) : MSH de Dijon – USR CNRS-uB 3516  ;  6, esplanade Erasme ; 21 000 Dijon cedex

Plan du Campus

Formation en simulation multi-agent, géologie et LIDAR forestier

Dans un dernier post, nous avons mentionné la Simulation Multi-Agents (SMA) aux techniques bien particulières. L’université de Franche-Comté propose une formation gratuite aux néophytes du 8 au 10 juillet Atelier SMA SH Simulation Multi-Agents et calcul Haute Performance. Les informations sont disponibles dans ce document : Atelier_SMASHPC_SMA&calcul_ht_performance. L’inscription s’effectue à cette adresse.

Pour les géo-archéologues, la plateforme FUN des MOOCs francophones propose un cours Roches et minéraux courants : genèse, identification et utilisations commencé le 5 juin 2014. Les apprenants intéressés peuvent se rendre ici pour plus d’informations.

Vous avez jusqu’au 30 juin EDIT : la date d’inscription a été repoussée fin juillet pour vous inscrire à l’école d’été Photogrammétrie et archéologie proposée par l’ENSG.

EDIT : Pour les étudiants en Master et les Doctorants intéressés par le LIDAR et pour qui travailler en anglais n’est pas un obstacle n’hésitez pas à regarder le programme de l’école d’été « Nouvelles technologies pour la valorisation des forêts de montagne« . Elle est gratuite, si ce n’est le transport jusqu’en Italie, et quelques places sont encore disponibles.

Vous trouverez toutes les dates dans la page Agenda. Bon cours aux intéressés !

Les goûters de la géomatique – jeudi 5 juin 2014 – 15h

La plate-forme technologique et géomatique de Bourgogne Franche-Comté vous convie à  une nouvelle séance des goûters de la géomatique le jeudi 5 juin 2014 à 15h, salle 102 de la MSH !

Nous vous attendons pour le dernier rendez-vous avant les vacances, accompagné d’un gâteau et de vos questions, présentations à tester, problématiques… Ou simplement pour écouter les développements autour de  l’information spatiale !

Vous retrouverez toutes les informations pratiques sur la page Agenda.

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Compte-rendu : goûter de la géomatique du 3 avril 2014

15h : début de la séance spéciale sur le LiDaR (Light Detection and Ranging) ou le système laser aéroporté

Pour ce goûter d’avril étaient présents Laure, Ludovic, Maxime, Delphine, Luc, Emmanuel, Justin, Jean-Luc et Thomas.

La séance commence par un retour sur la présentation de Justin qui présente ses nouvelles modélisations du climat dijonnais. Il mentionne également un article paru sur Cybergéo qui complète le compte-rendu de son intervention.

L’apport des technologies LIDAR pour la recherche en archéologie

Cette intervention sur le LIDAR se fait à deux voix : Laure par une présentation proposée aux physiciens du GDR onde et Emmanuel de retour de la convention européenne sur le LIDAR sous couvert forestier (TRAIL).

L’archéologue peut obtenir des informations archéologiques de deux façons : par des prospections ou par la détection des « anomalies ». Le milieu forestier, à la terre peu travaillée, conserve très bien ces anomalies : tertres (pierriers), excavations, tertres fouillés, fours à chaux, pierres dressées (habitats), longs linéaires (parcellaire agricole, habitats)…. La forêt reste cependant très difficile à prospecter aussi bien de manière terrestre que par photographie aérienne.

L’utilisation du LIDAR en archéologie a commencé au début des années 2000 chez les Anglo-saxons, les Allemands et les Autrichiens. Il permet d’obtenir une couverture du relief sur de grandes zones, à très haute résolution (de l’ordre du décimètre) quand les prospections archéologiques se limitent à de petits espaces. La forêt fait partie de ces zones couvertes : la technologie apporte donc une innovation technique importante.

Le LIDAR émet des impulsions infrarouge qui permettent d’enregistrer la distance entre un obstacle/objet au sol et le scanneur embarqué en vol. Dès que le faisceau rencontre un obstacle, un écho est retourné.

Principe du système laser aéroporté LIDAR (Light Détection and Ranging) (d'après Ž. Kokalj et K. Oštir dans Rodier X., Barge O., Saligny L., Nuninger L. and Bertoncello F., Information Spatiale et Archéologie  Paris : Errance., 2011)
Principe du système laser aéroporté LIDAR (Light Détection and Ranging)
D’après Ž. Kokalj et K. Oštir dans Rodier X., Barge O., Saligny L., Nuninger L. and Bertoncello F., Information Spatiale et Archéologie Paris : Errance, 2011

On obtient ainsi un nuage de point en 3D, géoréférencé grâce aux stations de base GPS.

Nuage de points bruts du secteur "temple de Janus" (localisé à droite). On remarque la présence des fils électriques, voire d'oiseaux que le post-traitement permet d’effacer ; (Source : Acquisition Lidar Autun 2013)
Nuage de points bruts du secteur « temple de Janus » (localisé à droite). On remarque la présence des fils électriques, voire d’oiseaux que le post-traitement permet d’effacer.
Source : Acquisition Lidar Autun 2013

Quelques éléments techniques du cahier des charges

Laure et Ludovic rappellent l’importance de la rédaction d’un cahier des charges adapté à sa problématique (densité de points au mètre carré, précision des échos…). La plateforme technologique et géomatique Bourgogne-Franche Comté a participé à l’acquisition de plusieurs campagnes de données LIDAR afin d’utiliser ces données pour la recherche : pour le groupement d’intérêt public (GIP) du futur parc national dans le Châtillonnais, pour la ville d’Autun et la côte viticole au sud de Dijon.

Zones des acquisitions et projets du GEOBFC de la MSH. Source : Google
Zones des acquisitions et projets du GEOBFC de la MSH.
Source : Google

L’acquisition, réalisée par un prestataire extérieur, s’effectue par hélicoptère, par avion et le sera bientôt par drone pour les petites surfaces. Compte-tenu du caractère venté de la Bourgogne, l’acquisition s’est effectuée par avion. La période durant laquelle l’acquisition est possible est très courte. L’absence de feuilles aux arbres demande d’effectuer les vols en hiver, mais hors des jours de pluie, brouillard, neige (la technologie permettant de traverser la neige existe mais est beaucoup plus chère) et de fortes rafales de vent.

Traitements effectués après l’acquisition

La classification des points selon leur hauteur et les traitements effectués permet d’obtenir plusieurs livrables : modèle numérique de surface (sol et hors-sol), modèle numérique de terrain (sol), modèle numérique de canopée (végétation)…

Exemple de modèle numérique de surface
Exemple de modèle numérique de surface.
Source : LIDAR Autun 2013

La classification est d’abord automatisée. Elle demande ensuite à être semi-manuelle pour être adaptée aux thématiques (détecter de petites structures qui seraient lissées et donc disparaitraient avec des classifications mal adaptées).

Emmanuel travaille à l’automatisation de ces critères et de ces indices de détection des structures archéologiques.

 

Une pause s’en suit entre les deux présentations avec petits financiers, grosses tuiles aux amandes, tarte sablée au chocolat… Merci aux pâtissiers !

Quel indice utiliser pour chaque anomalie archéologique ?

Pour reconnaître les anomalies sur les données issues du LIDAR, une méthodologie spécifique a été mise en place.

Sur le secteur du Châtillonnais, bien connu grâce aux relevés GPS, une typologie des structures archéologiques a été créée selon des critères de formes. A partir de cette typologie effectuée sur le terrain, on cherche à retrouver des structures identiques dans les données LIDAR. Plusieurs indices participent à la classification de ces anomalies.

L’ombrage (hillshade en anglais) est un indice de visualisation qui permet d’observer les variations topographiques à partir d’une source lumineuse virtuelle selon un azimut (angle formé depuis le Nord géographique) et selon un angle vertical (angle formé entre l’horizon et la source lumineuse). Les structures linéaires parallèles à l’azimut choisi ne seront pas visibles sur l’indice. Il est donc nécessaire d’utiliser plusieurs azimuts pour voir l’ensemble des structures. Pour s’affranchir de cet effet et limiter la manipulation de nombreux fichiers, une Analyse en Composantes Principales (ACP) peut être effectuée sur un jeu d’ombrages. L’ACP permet de réduire le nombre de données et intègre l’ensemble des informations relevées sur les différents ombrages.

Analyse en composantes principales sur huit ombrages mettant en évidence un tertre fouillé (au centre) et des tertres
Analyse en composantes principales sur huit ombrages mettant en évidence un tertre fouillé (au centre) et des tertres

Le Sky View Factor (SVF) est un indice de visualisation qui mesure la portion de ciel visible en un point donné sur une demi-sphère (Kokalj et al., 2011). L’algorithme calcule l’angle vertical d’élévation par rapport à l’horizon pour n directions spécifique au rayon. Sur un point haut, la proportion de ciel visible sera grande, alors que dans un milieu en excavation, la portion de ciel visible sera réduite.

L’indice d’ouverture topographique se décompose en deux indices : l’ouverture positive et l’ouverture négative. L’indice d’ouverture est un indice de visualisation qui exprime le degré de dominance ou de fermeture d’un espace sur une surface irrégulière (Doneus, 2013). L’ouverture positive correspond à la moyenne des angles zénithaux pour plusieurs azimuts. L’ouverture négative correspond à la moyenne des angles nadir (point le plus bas). L’indice est calculé suivant un rayon défini par l’opérateur. Alors que le SVF se limite au calcul sur une demi-sphère (limite = horizon), l’indice d’ouverture est calculé sur des angles plus importants lui permettant de s’affranchir de la topographie (distinction des structures sur des zones fortement en pente).

La carte des pentes permet de mettre en évidence les caractéristiques morphologiques de chaque structure.

Carte des pentes dans le Châtillonnais. Vert : plat ; jaune : faible pente ; rouge : forte pente. (source : LIDAR châtillonnais)
Carte des pentes dans le Châtillonnais.
Vert : plat ; jaune : faible pente ; rouge : forte pente.
Source : LIDAR Châtillonnais 2013

 

Laure Nuninger parle d’une approche « cubiste » (Nuninger et al. 2010) car l’utilisation de plusieurs images différentes est nécessaire pour visualiser / détecter toutes les informations et les anomalies de terrain.

Une discussion s’en suit sur la manière de détecter automatiquement la diversité des formes de chaque anomalie et sur la pertinence des indices. Elle se poursuit par la question de la détection des zones d’érosion sur la côte viticole avec le LIDAR, sujet abordé dans la thèse d’Emmanuel, et sur la détermination des facteurs qui contrôlent l’érosion.

Résultat de l’automatisation et comparaison avec le LIDAR

La méthode de reconnaissance semi-automatique des structures à partir de la carte des pentes et de l’ouverture topographique réalisée par Emmanuel a été testée sur une zone géographique du Châtillonnais et comparée avec les données GPS.

De manière générale, les relevés sur le LIDAR sont plus nombreux (50 à 60% en plus). Le GPS ne détecte pas les faibles inclinaisons du terrain ou les changements de types de structures. Pour les données issues du linéaire, 30% des données relevées sur le LIDAR différent des données GPS.

La rencontre TRAIL sur le LIDAR sous couvert forestier permet d’avoir un aperçu chiffré sur son apport qualitatif et quantitatif. Pour la présentation de Slovénie, bien qu’aucune nouvelle donnée n’ait était découverte, la qualité obtenue est meilleure par comparaison aux prospections sur le terrain. En Norvège, on recense 400% de structures en plus. En France, plus précisément en Lorraine (forêt de Haye), le LIDAR a permis de détecter 50% de plus de structures. Ces résultats dépendent donc de la topographie des zones couvertes et de l’état d’avancement des prospections antérieures.

Après le traitement des données LIDAR, un retour sur le terrain est souvent nécessaire pour valider la classification et la réalité des nouvelles structures détectées.

Perspectives du LIDAR en archéologie

La suite des recherches d’Emmanuel portera sur des tests d’autres zones géographiques et sur la quantification des paramètres morphologiques (longueur, hauteur, largeur…) de chaque anomalie.

L’évolution de la technique devrait bientôt discriminer la nature du signal rendu (sol, plante, bâti…).

 

Quelques ressources pour approfondir :

Articles sur le LIDAR du carnet des goûters de la géomatique

Un article de la presse locale sur les acquisitions de la MSH

Nuninger, L et all (2010). LiDAR : quel apport pour l’analyse des paysages ?

Nuninger, L. (dir). LIDOR. Acquisition, traitement et analyse d’images LiDAR. Pour la modélisation des paléo-reliefs de la plaine littorale du Languedoc oriental

Kokalj et al. (2011). Application of sky-view factor for the visualisation of historic landscape features in lidar-derived relief models

Doneus (2013). Openness as Visualization Technique for Interpretative. Mapping of Airborne Lidar Derived Digital Terrain Models

Le poster présenté lors du colloque est visible à la MSH, accompagné des autres posters réalisés sur le LIDAR par la GEOBFC. Il sera prochainement téléchargeable en ligne.

Merci à Emmanuel et Laure pour leur relecture attentive.

 

Formation continue et prochaine séance des goûters

Plusieurs offres de formation peuvent intéresser les géomaticiens et les archéologues. D’abord, une école d’été organisée par l’ENSG : « La photogrammétrie au service des archéologues et des architectes » à Forcalquier du 25 au 29 août 2014. Dernier délais pour l’inscription : 30 juin.

Ensuite, un MOOC sur le logiciel R proposée par la plate-forme FUN. Début des cours le 13 avril !

Enfin, en raison des multiples jours fériés du mois de mai, le prochain goûter de la géomatique aura lieu le jeudi 5 juin 2014 à 15h.

N’hésitez pas à consulter l’Agenda et à vous y abonner !