IX. Analyse spatiale
IX.2 Analyse spatiale : quelques exemples d'opérations sur des données raster
- Préparation des données : découpage d'un raster
- Explorer les données en modifiant le mode de représentation
- Manipuler les données : extraction de valeurs
- Exemples d'opérations sur des données d'altitude
Vous verrez ici quelques manipulations sur un raster d'altitude, appliquées au modèle d'élévation numérique (MNE) de la Jamaïque.
Préparation des données : découpage d'un raster
Le but sera ici de découper un raster pour ne garder que la zone qui nous intéresse. Cette manipulation permet d'alléger les données et les futurs traitements.
Ouvrez un nouveau projet QGIS. Ajoutez la couche raster srtm_21_09.tif située dans TutoQGIS_09_AnalyseSpat/donnees.
Le but va être de ne garder que la partie du MNE correspondant à la Jamaïque, en éliminant les parties de Cuba et des îles Caïman.
Rendez-vous dans la
boîte à outils → GDAL → Extraction raster → Découper un raster selon une emprise
:
- Couche source : sélectionnez srtm_21_09
- Etendue de découpage : cliquez sur le bouton ... tout à droite, choisissez Dessiner sur le canevas. Il faut ensuite dessiner l'emprise à garder, toujours dans l'outil de découpage. Dessinez un rectangle approximatif autour de l'île de la Jamaïque :
- Découpé (étendue) : cliquez sur le bouton à droite ... et choisissez où la nouvelle couche sera créée, et son nom : srtm_jamaique
- Cliquez ensuite sur Exécuter.
Une fois l'opération terminée, fermez la fenêtre de l'outil de découpage.
Dans la liste des couches, décochez srtm_21_09 pour ne voir que la couche découpée : elle ne comprend que la Jamaïque.
Notez qu'il est également possible de découper un raster suivant l'emprise d'une couche de polygones, en utilisant l'option Utiliser l'emprise de la couche. Vous pouvez aussi directement rentrer à la main les coordonnées de l'emprise à conserver.
Explorer les données en modifiant le mode de représentation
Les données ne contiennent maintenant plus que la zone d'étude et sont donc prêtes pour la suite... Mais au fait, que contiennent-elles, ces données ?
Avant de créer de nouvelles données à partir de ce MNE, ou bien de le croiser avec d'autres couches, il peut être judicieux d'explorer un peu ces données. Pour cela, il est possible de faire beaucoup de choses en allant simplement dans les propriétés de la couche !
Répartition des valeurs : histogramme de fréquence
Une manière simple d'avoir un aperçu du contenu des données est de visualiser l'histogramme de fréquence des valeurs des pixels. Vous pourrez ainsi voir d'un coup d'œil la répartition des valeurs d'élévation.
Propriétés de la couche srtm_jamaique → rubrique Histogramme : cliquez sur le bouton Calculer l'histogramme.
L'axe horizontal représente les valeurs de pixels, donc ici d'élévation. L'axe vertical représente le nombre de pixels ayant une valeur donnée. Il est également possible de lire les valeurs minimale et maximale sou l'histogramme.
On peut voir d'un seul coup d'œil que beaucoup de pixels ont une valeur inférieure à 100 mètres d'élévation.
Il est possible de zoomer sur le graphique en dessinant un rectangle, ou bien en modifiant les valeurs min et max. Un clic droit permet de revenir à la vue initiale.
La valeur des pixels sans valeur
Une information utile à savoir est la valeur des pixels « sans données ». En effet, vous ne voyez dans QGIS que les pixels de la Jamaïque et non ceux de l'océan les environnant, bien que nous ayons précédemment découpé cette couche suivant un rectangle.
En fait, un raster étant un tableau, son emprise sera toujours rectangulaire et tous les pixels auront toujours une valeur. Cependant, par commodité, on donne une valeur aberrante aux pixels « sans données ». D'où ce titre énigmatique !
Pour savoir quelle est cette valeur : propriétés de la couche → rubrique Transparence :
Regardez la valeur à droite de Aucune valeur de données : pour cette couche, cette valeur est de -32768.
Il est évident que l'élévation n'est jamais de -32768 mètres : il s'agit d'une valeur aberrante pour indiquer que certains pixels n'ont pas de valeur d'élévation associée.
Le logiciel gère cela en rendant ces pixels transparents par défaut.
Pour tester cela, décochez la case devant Aucune valeur de données et fermez la fenêtre des propriétés. Vous pouvez voir toute l'emprise de la couche, y compris les pixels sans données.
Vous pouvez utiliser l'outil Identifier des entités pour cliquer sur un pixel « sans données » sur le bord du raster et voir que sa valeur correspond bien à -32768.
Retournez dans les propriétés de la couche et recochez la case Aucune valeur de données.
Si vous utilisez à nouveau l'outil d'identification sur un pixel du bord du raster (désormais invisible), vous verrez qu'il est maintenant considéré comme « sans données ». En cliquant en-dehors de l'emprise du raster, l'outil d'identification ne renvoie aucun résultat.
Pourquoi la valeur -32768 ? Voici quelques explications si vous désirez en savoir plus. Il existe différents types de raster : 8 bits, 16 bits, 32 bits... Ce qui correspond en fait au nombre de bits sur lesquels est stockée la valeur d'un pixel.
Ici, notre raster est de type 16 bits (ce que vous pouvez vérifier en allant dans les propriétés de la couche, rubrique Information). Chaque valeur de pixel est codée sur 16 bits, ce qui donne 216 soit 65536 possibilités. Les valeurs pouvant être positives ou négatives, elles vont de -32768 à 32767, puisque 65536/2=32768.
La valeur nulle est donc la valeur la plus aberrante possible, ici -32768.
Rendez-vous ici pour en savoir plus sur les différents types de raster et les données qu'ils peuvent contenir. En règle général, on choisit le type codé sur le moins de bits possibles en restant compatible avec les données, pour obtenir des rasters moins lourds.
Modifier le style pour explorer les données
Une manière simple d'explorer les données, aussi bien pour un vecteur que pour un raster, est de modifier la manière dont sont représentées les données.
Rendez-vous dans les propriétés de la couche, rubrique Symbologie.
A la place de Bande grise unique, sélectionnez Pseudo-couleur à bande unique et appliquez les changements (sans forcément fermer la fenêtre des propriétés).
Ce style permet de choisir le degradé de couleur utilisé pour étirer les valeurs.
Choisissez maintenant un mode d'interpolation discret au lieu de linéaire.
Appliquez les changements :
Les valeurs sont maintenant représentées par classes.
Il est possible de modifier les classes, soit de manière automatique en choisissant le mode intervalle égal ou quantile et le nombre de classes, sous le tableau des valeurs, soit à la main en double-cliquant sur une valeur dans le tableau.
Pour en savoir plus sur les méthodes de discrétisation : voir notamment ici.
Par exemple, modifiez les classes pour faire apparaître les pixels de valeur inférieure à 100 mètres, comprise entre 100 et 700 mètres et supérieure à 700 mètres :
En modifiant le style des données, notamment en discrétisant les données et en faisant varier les classes, on peut avoir une meilleure idée du sujet étudié, ici l'élévation de la Jamaïque. C'est une première approche !
Manipuler les données : extraction de valeurs
Admettons maintenant que l'étape précédente nous ait permis de décider qu'on souhaite s'intéresser uniquement à la zone inférieure à 100 mètres d'altitude.
Comment faire pour obtenir un nouveau raster, où les pixels d'élévation inférieure à 100 mètres ont une valeur de 1 et les autres une valeur de 0 ? Une telle couche pourra servir par exemple de masque, ou bien pour ne garder que les valeurs d'un raster portant sur un autre thème de la zone inférieure à 100 mètres.
Rendez-vous dans la
boîte à outils → Analyse raster → Raster calculator
:
Cet outil permet d'effectuer des calculs sur des rasters, par exemple soustraire un raster à un autre. Nous l'utiliserons ici pour obtenir un raster où les pixels d'élévation inférieure à 100 mètres ont une valeur de 1 et les autres une valeur de 0.
- Dans la partie Couches en haut à gauche, double-cliquez sur srtm_jamaique pour faire apparaître le nom de la couche dans la partie Expression en-dessous
- Complétez l'expression en rajoutant à la main < 100 : l'expression complète est donc "srtm_jamaique@1" < 100
- Dans la partie Reference Layer(s), cliquez sur le bouton ... à doite et sélectionnez la couche srtm_jamaique, pour que le raster créé ait la même emprise, résolution et CRS
Exécutez... Le nouveau raster (temporaire) est ajouté.
Comment l'expression "srtm_jamaique@1" < 100 nous pemet-elle d'obtenir le résultat souhaité ? Cette expression est évaluée pour chaque pixel, le résultat est soit vrai (1) soit faux (0).
Contrairement à ce à quoi on aurait pu s'attendre, on peut voir en noir les valeurs supérieure à 100 mètres. Cependant, en interrogeant le raster avec l'outil d'identification on peut voir que les pixels qui avaient une élévation < 100 mètres ont maintenant une valeur de 1, et les autres 0.
Il est facile de changer le mode de représentation, par exemple dans les propriétés → Symbologie → Dégradé de couleur : choisir Blanc vers noir au lieu de Noir vers blanc.
Cette couche pourra servir par exemple de masque, telle quelle ou bien en la transformant en couche vecteur au moyen de l'outil Polygoniser.
Exemples d'opérations sur des données d'altitude
Il existe un certain nombre d'opérations proposées par les logiciels SIG sur les rasters d'altitude, par exemple la création de courbes de niveaux, d'ombrage, de pente... Nous verrons ici 2 exemples, sur les courbes de niveau et le calcul de pente.
Création de courbes de niveau
Les courbes de niveaux sont des lignes imaginaires joignant tous les points situés à la même altitude. Nous allons créer des courbes de niveau distantes de 100 mètres à partir du MNE de la Jamaïque.
Rendez-vous dans la
boîte à outils → GDAL → Extraction raster → Courbe de niveau
(dans les versions pécédentes de QGIS, cet outil peut se nommer contour) :
- Couche source : sélectionnez srtm_jamaique
- Intervalle entre les courbes de niveaux : tapez 100 pour un intervalle de 100 mètres
- Nom de l'attribut : il s'agit du nom du champ qui contiendra l'altitude de la courbe. Vous pouvez laisser la valeur par défaut ELEV, ou bien taper le nom de votre choix
Cliquez sur Exécuter :
Une couche de lignes a été créée. Chaque ligne possède en attribut son élévation, qui varie ici de 0 à 2200 mètres.
Projection d'un raster
Il est également possible de créer à partir d'un raster d'altitude un raster de pente : chaque pixel aura la valeur de la pente en ce point. Pour en savoir plus sur la manière dont est calculée la pente, vous pouvez vous référer à l'aide d'ArcGIS sur ce point.
La pente est calculée en fonction de la distance horizontale et de la hauteur. Dans notre cas, la hauteur est en mètres, et la distance horizontale en degrés. Les deux unités étant différentes, le calcul de pente donnera des valeurs aberrantes.
La première étape est donc de projeter notre raster, pour obtenir des unités identiques verticalement et horizontalement.
Quelle projection utiliser pour notre raster ?
En règle générale, il y a deux possibilités quand on cherche une projection pour un pays : utiliser une projection nationale, ou bien une projection UTM.
Pour savoir s'il existe dans QGIS des projections nationales pour la Jamaïque, vous pouvez faire une recherche dans les SCR proposés.
Rendez-vous dans les propriétés du projet, rubrique SCR, par exemple en cliquant sur l'icône de sphère tout en bas à droite de la fenêtre de QGIS :
Tapez jamaica dans la rubrique Filtre : plusieurs réponses sont proposées, dont 3 SCR projetés. Une rapide recherche internet semble indiquer que le SCR JAD2001 est le plus récent (source : http://www.jamaicancaves.org/jad2001.htm). C'est donc ce SCR que nous utiliserons.
Sélectionnez JAD2001 (code EPSG:3448) et cliquez sur OK.
Nous venons de changer le SCR du projet, mais pas celui de notre raster (pour rappel, voir ici).
Une étape préliminaire avant de projeter le raster : ouvrez les propriétés du raster, rubrique Information, sous-rubrique Bandes, recherchez Aucune valeur de données. Vous devriez avoir -32768, notez cette valeur. C'est celle utilisée pour les pixels « sans valeur » (qui ont donc en réalité la valeur -32768), en-dehors de l'île.
Ensuite, pour changer le SCR du raster :
Boîte à outils → GDAL → Projections raster → Projection (warp)
:
- Couche source : sélectionnez srtm_jamaique dans la liste
- SCR cible : cliquez sur le bouton à droite pour rechercher le SCR JAD2001 code EPSG:3448
- Valeur Nodata : tapez la valeur des pixels sans données : -32768
- Laissez tous les autres paramètres par défaut, cliquez sur Exécuter.
Patientez... La nouvelle couche est ajoutée, vous pouvez vérifier dans ses propriétés (rubrique Source) que son SCR soit bien le JAD2001.
Il semblerait qu'il ne soit plus utile de préciser la valeur NoData, celle-ci étant automatiquement lue dans les propriétés du raster en entrée !
Supprimez les autres couches, pour ne garder dans le projet que la couche srtm_jamaique_JAD2001.
Calcul de pente à partir du raster projeté
Rendez-vous dans la
boîte à outils → GDAL → Analyse raster → Pente
:
- Couche source : sélectionnez srtm_jamaique_JAD2001
- Laissez les autres paramètres par défaut (pour plus d'infos sur les méthodes de Zevenberger & Thorne et Horn : http://www.macaulay.ac.uk/LADSS/documents/DEMs-for-spatial-modelling.pdf, pp. 12 et 13).
Cliquez sur Exécuter, patientez... la couche s'affiche :
Ici, les pixels sombres représentent des pentes faibles et les pixels clairs de fortes pentes.
En cliquant sur un pixel avec l'outil Identifier les entités, vous pouvez connaître la valeur de la pente pour ce pixel :
Ici, le pixel a une pente de 13,5° environ.
Il existe beaucoup d'autres traitements possibles sur les données raster. Mais pourquoi toujours opposer raster et vecteur ? Dans le prochain chapitre, découvrez comment les faire fonctionner main dans la main !
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