QGIS comme outil central pour le développement d’un tutoriel de cours SIG open source

Cours QGIS comme outil central pour le développement d’un tutoriel de cours SIG open source, tutoriel & guide de travaux pratiques en pdf.

Questions et décisions préalables

Dès le début du stage, puis tout au long du processus de création du cours, de nombreuses questions ont été soulevées au sujet des différents aspects du cours. Chacune d’elle a entraîné une réflexion et une décision quant à la forme et au fond voulus pour ces tutoriels. Ce processus a été soutenu par l’Equipe de Recherche en Didactiques et en Epistémologie des Sciences Sociales (ERDESS), par le biais de M. Philippe Haeberli. Voilà un aperçu non exhaustif des questionnements menés en amont de la rédaction des tutoriels :
– Pourquoi créer ce cours ? Quel objectif principal poursuit-il ? Quel doit être son apport à la situation actuelle ?
– A qui s’adresse le cours ? Quel est le profil des utilisateurs (domaine, niveau, intérêt, besoin)?
– Des prérequis sont-ils nécessaires pour suivre le cours, et si oui, lesquels ?
– S’agit-il d’un cours pour francophones uniquement, ou doit-il être rédigé en anglais ?
– Quelle forme doit prendre ce cours ? Doit-il pouvoir être suivi seul, ou avec un encadrant ?
– Faut-il inclure de la théorie en plus des exercices pratiques, et si oui, en quelles proportions ?
– Quelle structure pour chaque document ?
– Comment stocker le cours pour le mettre à disposition des utilisateurs ? Sous forme de dossier à télécharger, de contenu en ligne, de lien vers un serveur externe, ou autre ?
– Comment sera diffusé le tutoriel ?
– Quel doit être le niveau de suivi ? Expliquer chaque étape très clairement ou donner l’objectif final et laisser l’utilisateur se débrouiller ?
– Les tutoriels doivent-ils être dépendants ou indépendants les uns des autres ?
– Quels sont les apprentissages essentiels que le cours doit permettre d’acquérir ?
– Sur quelle thématique doivent porter les données ? Faut-il traiter d’une ou de plusieurs thématiques tout au long des tutoriels ?
– Est-ce que les utilisateurs doivent pouvoir travailler sur une thématique qu’ils connaissent bien pour acquérir les connaissances ?

Tutoriel

Objectifs

L’objectif principal de ce tutoriel est de compléter l’éventail des cours SIG dispensés par l’Université de Genève en proposant une introduction à la géomatique au-travers d’un seul outil simple, gratuit et très complet.

Cible

La toute première étape a été de définir le profil des utilisateurs visés, ce qui a ensuite permis de répondre à de nombreuses autres questions. Tout d’abord adressé aux débutants au sens large, il a été décidé de cibler plus clairement les étudiants qui débutent dans la géomatique. Il s’adresse ainsi dans un premier temps aux étudiants de l’Université, novices, qui auraient besoin de cet outil dans le cadre d’un travail personnel tels que le mémoire de master ou un travail de doctorat, et qui n’auraient pas encore suivi de cours de ce type, ou qui auraient besoin d’un rafraîchissement dans ce domaine. Dans un deuxième temps, ce cours pourrait être utilisé par les professeurs dans le cadre de différents cours, séminaire, ou formation continues, à l’Université ou en dehors. Finalement, il pourrait également être mis à disposition de tout un chacun sur internet en libre diffusion.

Forme

La forme générale choisie a été le format papier, sous forme de dossier à télécharger. Tout a été rédigé en français ; d’une part parce qu’il s’agit de la langue principalement utilisée à l’UNIGE, d’autre part car cela permet de compléter l’offre de tutoriels QGIS disponible actuellement sur internet, en grande partie en anglais.
Ce cours est articulé en différents chapitres constitués majoritairement de parties expérimentales, avec quelques encarts théoriques pour introduire rapidement certaines notions essentielles. Les exercices sont structurés sous forme de points à suivre les uns après les autres agrémentés de captures d’écran, au long desquels l’utilisateur est aidé afin qu’il ne se perde pas. Des explications claires encouragent néanmoins l’utilisateur à comprendre le fonctionnement du programme, pour éviter qu’il ne suive simplement les étapes sans réfléchir.
Chaque chapitre est articulé de la même manière avec, dans l’ordre, les objectifs de l’exercice, un résumé, les différentes étapes à suivre, puis un récapitulatif des apprentissages acquis, quelques questions d’auto-évaluation, les références et les réponses aux questions. Les encarts explicatifs sont insérés là où ils sont utiles, et se présentent sous la forme d’un rectangle gris en partie tronqué, afin de bien les différencier de la partie expérimentale.
Ces tutoriels sont distribués sous licence Creative Commons Attribution – Pas d’Utilisation Commerciale – Partage à l’identique 4.0 International (CC-BY-NC-SA) (Figure 1). Cela signifie qu’ils sont libres d’utilisation à condition de citer l’auteur (BY), restreints aux utilisations non commerciales (NC), et soumis aux mêmes conditions que l’œuvre originale en cas de diffusion après modification (SA).
Figure 1 Logo de la licence Creative Commons de type CC-BY-NC-SA.

Contenu

Ce cours est constitué de sept chapitres thématiques, plus un chapitre préalable contenant les différentes procédures d’installation. Ces chapitres s’enchaînent de manière à suivre une logique permettant à l’utilisateur d’acquérir les bases de la géomatique à l’issue de l’ensemble du cours. Cependant, chaque chapitre peut également être suivi indépendamment des autres.
Pour chaque exercice, les données touchent de nombreux sujets différents, et proviennent toutes de téléchargement libre venant de différentes sources. Ainsi, l’utilisateur est également sensibilisé à la problématique des données, de leur source et de leur utilisation.
Chaque chapitre se termine par une série de questions, afin que l’utilisateur puisse évaluer sa compréhension du sujet.

Contenu des exercices

Sur l’ensemble des sept exercices, cinq d’entre eux avaient été déjà en partie développés avant ce stage par M. Pierre Lacroix, en vue d’une possible mise sur pied d’un cours SIG OpenSource à l’Université. Il s’agit des chapitres 1, 2, 4, 5 et 7. Ces exercices ont été repris et parfois en grande partie modifiés, remis à jour et restructurés pour harmoniser l’ensemble.

Base de données

Cet exercice est le seul qui ne concerne pratiquement pas QGIS. C’est le logiciel libre PostgreSQL, avec sa capsule spatiale PostGIS, qui est utilisé pour créer puis gérer une base de données spatiale (Figure 2). L’utilisateur apprend ensuite à effectuer des requêtes SQL pour atteindre les informations de la base de données, les afficher, les manipuler, en ajouter et en supprimer, ou effectuer des modifications (Figure 3).
Figure 2 Résultat de la conversion des fichiers SHP lors de l’import des données dans la base de donné
Les requêtes peuvent être faites dans PGAdmin, ou dans QGIS à l’aide de l’extension OpenGeo Explorer. Les deux méthodes sont expliquées, afin de fournir à l’utilisateur plus d’information, même si une seule d’entre elles est ensuite utilisée dans l’exercice. Plusieurs encarts explicatifs sont insérés, à propos des formats de données, du programme PostgreSQL et sa capsule PostGIS, et du langage SQL.
Figure 3 Exemple de requête SQL

Extraction de données et géoréférencement

Les données, de quelque type qu’elles soient, constituent le point d’entrée essentiel à toute utilisation de la géomatique. Trouver puis obtenir celles dont on a besoin pour une analyse est une étape qui peut prendre énormément de temps, et c’est un point de difficulté important, y compris pour les utilisateurs expérimentés. Pour débuter, il est donc important de se familiariser avec différents moyens de les acquérir, afin de dépasser le plus vite possible cet obstacle qui peut paraître insurmontable pour un novice.
Trois géoportails ont été utilisés dans cet exercice, et constituent un premier pas dans cette direction. Ils permettent d’obtenir une première vue des moyens d’acquisition de données pour le territoire suisse et français. Les utilisateurs sont amenés à naviguer au travers des différents sites web, pour atteindre les couches recherchées. Le portail du SITG est également utilisé pour extraire ces couches en les téléchargeant sous forme de shapefile, afin de pouvoir ensuite les importer dans un projet QGIS. Dans les deux géoportails français, les données sont extraites à l’aide de la fonction impression. Ces notions d’acquisition des données sont complétées dans chacun des exercices par l’utilisation de données ouvertes provenant de nombreuses sources différentes, toujours bien précisées.
Finalement, l’extraction de fond de carte à partir de Google Earth, et surtout le géoréférencement de cette image est un point très important de cet exercice (Figure 4). En effet, les fonds de carte sont souvent difficiles à obtenir gratuitement. Même sur le portail du SITG, qui est pourtant un excellent exemple de diffusion libre de données, les fonds de cartes ne sont pas téléchargeables. Apprendre à géoréférencer une image peut donc être très utile pour de nombreuses utilisations.
Figure 4 Outil de géoréférencement d’image proposé dans QGIS

Métadonnées

La géomatique, et plus généralement l’ère du numérique, produit et brasse d’énormes quantités de données, de type et de contenu variable. Connaître les informations correspondantes à chacune d’elles permet d’optimiser leur utilisation. Ces « données de données », définissant l’origine et la nature de ces données (la manière de les produire, leur sources, leur date, leur systèmes de projection, etc.) sont regroupées sous le terme de métadonnées.
Afin de faciliter la transmission des données, des normes de création des métadonnées sont petit à petit mises en place. Cela permet également de créer des catalogues de métadonnées régis par les mêmes règles, afin d’en améliorer l’échange entre utilisateurs.
Cet exercice permet d’introduire cette notion de métadonnées, d’accéder aux catalogues de métadonnées présents par défaut dans QGIS, puis d’en ajouter un nouveau (Figure 5), et d’effectuer une recherche à partir des métadonnées, pour l’ajouter dans un projet QGIS personnel.
C’est ainsi une nouvelle manière d’accéder à des couches de données, stockées à distance, et de pouvoir les utiliser comme base d’analyse.
Figure 5 Ajout du catalogue de métadonnées du Transboundary Water Assessment Programme à l’aide de son URL.

Analyse de données en mode vecteur

Avant de se lancer dans une réelle analyse de données vecteurs, cet exercice permet d’introduire les notions de base nécessaires à l’utilisation de la géomatique. La découverte des propriétés d’une couche, de la table attributaire (Figure 6), de la sélection d’entité et de sa visualisation, ainsi que la sauvegarde d’un projet permettent à un utilisateur novice de comprendre le fonctionnement général, mais surtout de savoir où chercher les informations dont il pourrait avoir besoin dans un projet personnel. Il obtient ainsi rapidement une vision d’ensemble des notions essentielles qui permettent de se débrouiller seul. La notion de système de projection, qui peut être difficile de comprendre pour un novice, y est introduite et clarifiée afin d’éviter toute mauvaise surprise à l’utilisateur par la suite.
Figure 6 Extrait de table d’attribut de la couche vecteur contenant les limites des cantons suisses.
Certaines de ces notions de base sont ensuite mises à profit dans la suite de l’exercice, notamment les modifications des propriétés de la couche (symbologie), et d’autres sont introduites (sélection par requête, utilisation d’outils vecteurs, enregistrement de fichiers en sortie). Finalement, l’utilisateur découvre la possibilité de compléter les fonctionnalités de QGIS à l’aide des extensions, avec l’ajout de l’une d’elle et son utilisation.

Analyse de données en mode raster

Les notions de bases introduites dans l’exercice précédent sont à nouveau utilisées dans celui-ci, mais adaptées à l’utilisation de données raster. Cet exercice permet également d’aller plus loin dans les notions de symbologie, puisque l’analyse a pour but de créer une symbologie précise. De nombreux outils différents permettent d’aborder des notions fréquemment utilisées en géomatique, tels que la création et l’utilisation d’un masque de découpage, la vectorisation (Figure 7), et les calculs de statistiques.
Dans un deuxième temps, cet exercice donne une idée des différentes utilisations possible à partir d’un raster d’altitude (DEM : Digital Elevation Model). Une grande variété d’information est ainsi extraite d’une même couche, selon l’outil utilisé (pente, ombrage, direction d’écoulement, limites de bassins versants). Finalement, la combinaison de ces couches obtenues permet parfois d’améliorer la représentation des informations extraites.
Figure 7 Outil QGIS r.to.vect, permettant de transformer une couche raster en couche vecteur

Automatisation du traitement de la donnée

Après s’être familiarisé avec les différentes manipulations de vecteur et raster dans les deux exercices précédents, l’utilisateur apprend à utiliser le modeleur graphique QGIS, qui permet d’automatiser une suite d’analyse (Figure 8). Dans un projet, de nombreuses étapes peuvent être nécessaires pour passer de la donnée de base au résultat final. De plus, les résultats intermédiaires issus de chaque étape ne sont pas toujours utilisés comme résultat final, mais uniquement comme base pour le prochain outil. La création d’une chaîne d’analyse permet ainsi de ne pas effectuer chacune des étapes à la main, et d’éviter de produire trop de résultats intermédiaires « inutiles ». Outre le gain de temps, ces modèles ont également l’avantage de pouvoir être utilisés indépendamment sur différents jeux de données. Ainsi, un même type d’analyse sur deux jeux de données différents peut être fait en créant une seule fois le modèle.
Le modeleur graphique de QGIS est un bon outil pour automatiser une analyse. Il permet de créer, éditer et exécuter un modèle de manière simple et relativement intuitive. Cet exercice permet ainsi à l’utilisateur de comprendre le fonctionnement et l’intérêt d’un modèle, afin de pouvoir par la suite en créer un adapté à ses propres besoins.