Que sont les données raster ?

Dans sa forme la plus simple, un raster se compose d’une matrice de cellules (ou pixels) organisées en lignes et en colonnes (grille) dans laquelle chaque cellule contient une valeur représentant des informations ; la température, par exemple. Les rasters sont des photographies aériennes numériques, des images satellite, des images numériques, voire des cartes numérisées.

Types de données raster

Les données stockées au format raster représentent des phénomènes du monde réel :

• Les données continues représentent des phénomènes tels que l’altitude et des données d’images spectrales collectées à partir de satellites et de plateformes aéroportées, telles que les drones.
• Les données thématiques (ou discrètes) représentent des entités, telles que les données relatives à l’utilisation du sol ou aux sols.
• Les images incluent les cartes ou les dessins numérisés et les photographies de bâtiment.

Les rasters continus et thématiques peuvent être affichés sous forme de couches de données avec d’autres données géographiques sur votre carte, mais ils sont souvent utilisés comme données source à des fins d’analyse spatiale avec l’extension ArcGIS Spatial Analyst ou ArcGIS Image Analyst. Les rasters de type image sont souvent utilisés sous la forme d’attributs dans des tables ; ils peuvent être affichés avec des données géographiques et présenter des informations supplémentaires relatives aux entités de carte.

Applications des données raster

Bien que la structure des données raster soit simple, elles se révèlent particulièrement utiles pour un large éventail d’applications. Dans un SIG, on distingue quatre principaux types d’utilisation des données raster :

• Images en tant que fonds de carte

  Dans un SIG, les données d’image sont couramment utilisées comme arrière-plan pour d’autres couches d’entités. Par exemple, les orthoimages affichées sous d’autres couches SIG donnent à l’utilisateur de la carte la garantie que les couches sont alignées spatialement et qu’elles représentent des objets réels, ainsi que des informations supplémentaires. Les trois principales sources de fonds de carte d’image sont les orthoimages aériennes, les images satellite et les cartes numérisées. Voici un exemple d’orthoimage utilisée comme fond de carte pour des données routières.

  

• Rasters en tant que cartes de surface

  Les rasters sont particulièrement bien adaptés à la représentation des données qui évoluent constamment sur un paysage (surface). Ils constituent une méthode efficace pour le stockage de la continuité en tant que surface. Ils permettent également une représentation des surfaces avec espacements réguliers. Les valeurs d’altitude mesurées à partir de la surface de la Terre constituent l’application la plus fréquente des cartes de surface. Cependant, d’autres valeurs, comme les précipitations, la température, la concentration et la densité de population, peuvent également définir des surfaces pouvant faire l’objet d’une analyse spatiale. Le raster ci-dessous affiche l’altitude ; le vert est utilisé pour représenter une faible altitude, tandis que les cellules rouges, roses et blanches affichent des altitudes supérieures.

  

• Rasters en tant que cartes thématiques

  Des rasters représentant des données thématiques peuvent être dérivés de l’analyse d’autres données. Une application d’analyse courante consiste à classer une image satellite selon les catégories d’occupation du sol. D’une façon générale, cette activité regroupe les valeurs de données multispectrales dans des classes (un type de végétation, par exemple) et attribue une valeur catégorielle. Les cartes thématiques peuvent également provenir d’opérations de géotraitement combinant des données de diverses sources, telles que des données vectorielles, raster et de terrain. Vous pouvez, par exemple, traiter des données via un modèle de géotraitement afin de créer un jeu de données raster qui cartographie une adéquation à une activité spécifique. Voici un exemple de jeu de données raster classé représentant l’utilisation du sol.

  

• Rasters en tant qu’attributs d’une entité

  Les rasters utilisés en tant qu’attributs d’une entité peuvent être des photographies numériques, des documents numérisés ou des dessins numérisés relatifs à un objet géographique ou une localisation. Une image d’une entité à l’étude peut ainsi être associée à un fichier de point de contrôle au sol. Une couche de parcelle peut comporter des documents légaux numérisés identifiant la dernière transaction relative à la parcelle, ou une couche représentant des ouvertures de grotte peut comporter les images des ouvertures réelles associées aux entités ponctuelles. L’image numérique ci-dessous représente un vieil arbre de grande envergure qui pourrait être utilisé comme attribut dans une couche de paysage gérée par une ville.

  

Pourquoi stocker des données sous forme de raster ?

Il arrive que vous n’ayez pas la liberté de stocker vos données sous la forme d’un raster ; c’est le cas, par exemple, lorsque les images sont disponibles uniquement sous cette forme. Cependant, de nombreuses autres entités (telles que des points) et mesures (telles que les précipitations) peuvent être stockées en tant que données de type raster ou entité (vecteur).

Le stockage des données sous forme de raster présente les avantages suivants :

• Une structure de données simple : matrice de cellules comportant des valeurs représentant une coordonnée et parfois liées à une table attributaire
• Un format puissant pour l’analyse spatiale et statistique avancée
• La possibilité de représenter des surfaces continues et d’effectuer des analyses d’image et de surface
• La possibilité de stocker de manière uniforme des points, des lignes, des polygones et des surfaces
• La possibilité d’effectuer des opérations de superposition rapides avec des jeux de données complexes

Le choix d’un stockage de type vectoriel offre d’autres avantages et convient à certaines situations : Par exemple :

• Il peut y avoir des inexactitudes spatiales dues aux limites imposées par les dimensions des cellules du jeu de données raster.
• Les jeux de données raster sont potentiellement très volumineux. La résolution augmente à mesure que la taille de cellule diminue. Toutefois, le coût augmente aussi, en principe, que ce soit en termes d’espace disque ou de vitesse de traitement. Pour une surface donnée, le passage des cellules à la moitié de la taille en cours nécessite le quadruple de l’espace de stockage, en fonction du type de données et des techniques de stockage employées.
• Il convient également de tenir compte d’une perte de précision qui découle de la restructuration des données selon une limite de cellules raster régulièrement espacées.

Caractéristiques générales des données raster

Dans les jeux de données raster et d’image, chaque cellule, appelée pixel, possède une valeur. Les valeurs des cellules représentent le phénomène induit par le jeu de données raster, tel qu’une catégorie, une magnitude, une hauteur ou une valeur spectrale d’image. La catégorie peut être une classe d’utilisation du sol : une prairie, une forêt ou une route, par exemple. Une magnitude peut représenter la gravité, la pollution sonore ou le pourcentage de précipitations. La hauteur (distance) peut représenter l’altitude des surfaces au-dessus du niveau moyen de la mer, laquelle peut être utilisée pour dériver les propriétés de pente, d’exposition et de bassin versant. Les valeurs spectrales sont utilisées en imagerie satellite et aérienne pour représenter la réflectance à la lumière et la couleur liée aux espèces et à la santé de la flore.

Les valeurs des pixels peuvent être positives ou négatives, entières ou à virgule flottante. Les valeurs entières conviennent davantage pour représenter des données catégorielles (discrètes) et les valeurs à virgule flottante sont adaptées à la représentation des surfaces continues. Les pixels peuvent également contenir une valeur NoData pour représenter l’absence de données. Pour plus d’informations sur NoData, reportez-vous à la rubrique Valeurs NoData dans les jeux de données raster.

Les rasters sont stockés sous la forme d’une liste ordonnée de valeurs, par exemple, 80, 74, 62, 45, 45, 34, etc.

La zone (ou surface) représentée par chaque cellule possède une largeur et une hauteur identiques, et constitue une portion égale de l’intégralité de la surface représentée par le raster. Prenons l’exemple d’un raster représentant l’altitude (c’est-à-dire un modèle numérique d’élévation) qui couvre une surface de 100 kilomètres carrés. Si ce raster comporte 100 cellules, chaque cellule représente 1 kilomètre carré de largeur et de hauteur égales (à savoir 1 km x 1 km).

La dimension des cellules peut être aussi grande ou aussi petite que nécessaire pour représenter la surface indiquée par le jeu de données raster et les entités qui y sont contenues (par exemple, un kilomètre carré, un pied carré ou même un centimètre carré). La taille de pixel détermine le degré de grossièreté ou de finesse de l’apparence des modèles ou des entités du raster ou de l’image. Plus la taille de pixel est faible, plus le raster est lisse ou détaillé. Mais, plus le nombre de pixels est élevé, plus le traitement est long et plus le besoin en espace de stockage est élevé, sauf si vous utilisez une fonction raster dynamique. Une taille de pixel trop importante peut provoquer une perte d’informations ou masquer des modèles subtils. Par exemple, si la taille de pixel est supérieure à votre plus petite unité de cartographie, les entités inférieures à cette taille risquent d’être absentes du jeu de données raster. Dans le diagramme ci-dessous, vous pouvez voir comment cette simple entité surfacique est représentée par un jeu de données raster à différentes tailles de pixel.

L’emplacement de chaque cellule est défini par la ligne ou la colonne dans laquelle elle se trouve au sein de la matrice du raster. La matrice est représentée par un système de coordonnées cartésiennes, dans lequel les lignes sont parallèles à l’axe x et les colonnes à l’axe y du plan cartésien. On parle alors d’espace de coordonnées d’image. Les valeurs de ligne et de colonne commencent à 0. Dans l’exemple ci-dessous, si le raster se trouve dans un système de coordonnées projetées UTM (Universal Transverse Mercator) et a une taille de cellule de 100, l’emplacement de cellule à 5,1 serait 300,500 Est, 5,900,600 Nord.

En savoir plus sur le géoréférencement d’un raster

Il arrive fréquemment que vous deviez spécifier l’étendue d’un raster. L’étendue est définie par les cordonnées supérieure, inférieure, gauche et droite de la zone rectangulaire couverte par un raster, comme illustré ci-dessous.