Les données raster sont obtenues à partir de nombreuses sources, telles que les images satellite, les caméras aériennes et les cartes numérisées. Les informations d'emplacement des caméras aériennes et des images satellite modernes sont relativement précises, mais elles peuvent nécessiter de léger ajustements pour s'aligner sur toutes vos données SIG. Les cartes numérisées et les données historiques ne contiennent pas d'informations de référence spatiale. Dans ce cas, vous devez utiliser des données d'emplacement précises pour aligner ou géoréférencer vos données raster sur un système de coordonnées cartographiques. Un système de coordonnées est défini par une projection cartographique (méthode par laquelle la surface courbe de la Terre est représentée sur une surface plane).
Lorsque vous géoréférencez des données raster, vous définissez leur emplacement à l'aide des coordonnées cartographiques et leur affectez le système de coordonnées de la fenêtre cartographique. Le géoréférencement de données raster permet de les visualiser, de les interroger et de les analyser avec vos autres données géographiques. Les outils de géoréférencement de l'onglet Géoréférence vous permettent de géoréférencer les jeux de données raster.
En règle générale, le géoréférencement de vos données s'effectue en quatre étapes :
- Ajoutez le jeu de données raster que vous souhaitez aligner sur les données projetées.
- Utilisez l'onglet Géoréférence pour créer des points de contrôle et connecter votre raster à des positions connues sur la carte.
- Vérifiez les points de contrôle et les erreurs.
- Enregistrez le résultat de géoréférencement lorsque l'alignement répond à vos attentes.
Alignement du raster sur les points de contrôle
En général, on géoréférence des données raster à l'aide de données spatiales existantes (données cible), telles que des rasters ou une classe d'entités vectorielles géoréférencés résidant dans le système de coordonnées cartographiques approprié. Ce processus implique l'identification d'une série de points de contrôle au sol (coordonnées x,y connues) qui relient des emplacements du jeu de données raster aux emplacements des données référencées spatialement. Les points de contrôle sont des emplacements qui peuvent être identifiés avec précision sur le jeu de données raster et à l'aide de coordonnées du monde réel. Différents types d'entités peuvent être utilisés comme emplacements identifiables : intersections de routes ou de cours d'eau, embouchure d'une rivière, affleurements rocheux, extrémité d'une jetée, coin d'un champ établi, coins de rues ou intersection de deux haies.
Les points de contrôle, alliés à la transformation, permettent de décaler et de déformer le jeu de données raster par rapport à son emplacement actuel vers l'emplacement correct spatialement. La connexion entre un point de contrôle sur le jeu de données raster (point de départ) et le point de contrôle correspondant sur les données cible alignées (point d'arrivée) est une paire de points de contrôle.
Le nombre de liens que vous devez créer dépend de la complexité de la transformation que vous envisagez d'utiliser pour transformer le jeu de données raster en coordonnées cartographiques. Toutefois, l'ajout de liens supplémentaires ne produit pas nécessairement un meilleur résultat. Si possible, vous devez répartir les liens sur la totalité du jeu de données raster plutôt que les concentrer sur une seule zone. Généralement, la présence d'au moins un lien près de chaque angle du jeu de données raster et de quelques-uns à l'intérieur produit les meilleurs résultats.
Dans l'ensemble, plus la zone de superposition entre le jeu de données raster et les données cible est grande, meilleurs sont les résultats de l'alignement puisque vous disposez de points plus largement espacés pour le géoréférencement du jeu de données raster. Par exemple, si les données cible n'occupent qu'un quart de la surface du jeu de données raster, les points à utiliser pour aligner le jeu de données raster sont confinés dans cette surface de superposition. Dès lors, les zones situées hors de la surface de recouvrement risquent de ne pas être correctement alignées. N'oubliez pas que vos données géoréférencées ne sont pas plus précises que celles sur lesquelles elles sont alignées. Pour réduire les erreurs, vous devez effectuer le géoréférencement sur des données ayant la résolution la plus élevée et avec la plus grande échelle possible.
Transformation du raster
Après avoir créé suffisamment de points de contrôle, vous pouvez transformer le jeu de données raster selon les coordonnées géographiques des données cibles. Vous avez le choix entre plusieurs types de transformations, telles que polynomiale, par spline, par ajustement, projective ou d'Helmert, pour déterminer l'emplacement correct des coordonnées cartographiques pour chaque cellule du raster.
La transformation polynomiale utilise une fonction polynomiale axée sur des points de contrôle et un algorithme LSF (Least Square Fitting). Elle est optimisée pour une précision globale, mais ne garantit pas une précision locale. La transformation polynomiale génère deux formules : l'une pour le calcul de la coordonnée x en sortie d'un emplacement (x,y) en entrée et une autre pour le calcul de la coordonnée y d'un emplacement (x,y) en entrée. L'objectif de l'algorithme LSF est d'obtenir une formule générale applicable à tous les points, généralement aux dépens d'un léger mouvement des positions d'arrivée des points de contrôle. Le nombre de points de contrôle non corrélés requis pour cette méthode doit être de 1 pour un décalage d'ordre zéro, de 3 pour un premier ordre (affine), de 6 pour un deuxième ordre et de 10 pour un troisième ordre. Les transformations polynomiales d'ordre inférieur ont tendance à donner lieu à une erreur de type aléatoire, alors que les transformations d'ordre supérieur risquent de générer une erreur d'extrapolation.
Une transformation polynomiale d'ordre nul permet de décaler les données. Elle est souvent utilisée lorsque les données sont systématiquement géoréférencées, mais qu'un petit décalage peut améliorer l'alignement des données. Un seul point de contrôle est requis pour un décalage polynomial d'ordre zéro. Il peut s'avérer utile de créer quelques points de contrôle, puis de sélectionner celui qui semble le plus adapté.
La transformation polynomiale de premier ordre est fréquemment utilisée pour géoréférencer une image. Utilisez une transformation de premier ordre ou affine pour le déplacement, la mise à l'échelle et la rotation d'un jeu de données raster. Ceci se traduit généralement par le fait que les lignes droites du jeu de données raster sont transposées en lignes droites dans le jeu de données raster déformé. Ainsi, les carrés et rectangles du jeu de données raster sont généralement remplacés par des parallélogrammes dont la mise à l'échelle et l'orientation des angles sont arbitraires. L'équation ci-dessous permet de transformer un jeu de données raster à l'aide de la transformation polynomiale (premier ordre). Dans cet exemple, vous pouvez voir comment six paramètres définissent la transformation des lignes et colonnes d'un raster sur des coordonnées cartographiques.
Avec un minimum de trois points de contrôle, l'équation mathématique utilisée avec une transformation de premier ordre peut exactement transposer chaque point du raster sur l'emplacement cible. Un nombre de points de contrôle supérieur à trois introduit des erreurs, ou résidus, qui sont distribués sur tous les points de contrôle. Toutefois, il est recommandé d'ajouter plus de trois points de contrôle, car si le positionnement de l'un d'entre eux est incorrect, l'impact sur la transformation est beaucoup plus important. Ainsi, même si l'erreur de transformation mathématique peut augmenter avec la création de liens supplémentaires, la précision générale de la transformation augmente également.
Plus l'ordre de transformation est élevé, plus la déformation pouvant être corrigée est complexe. Toutefois, des transformations supérieures à un troisième ordre sont rarement nécessaires. Des transformations d'ordre plus élevé nécessitent un plus grand nombre de liens et impliquent, par conséquent, une durée de traitement progressivement plus importante. En général, si le jeu de données raster doit faire l'objet d'un étirement, d'une mise à l'échelle et d'une rotation, utilisez une transformation de premier ordre. En revanche, si le jeu de données raster doit être courbé ou incurvé, utilisez une transformation de deuxième ou de troisième ordre.
La transformation par ajustement optimise la précision locale et l'algorithme des moindres carrés (LSF) global. Elle repose sur un algorithme qui combine une transformation polynomiale et des techniques d'interpolation de réseau triangulé irrégulier (TIN). La transformation par ajustement effectue une transformation polynomiale à l'aide de deux jeux de points de contrôle et ajuste les points de contrôle localement pour qu'ils correspondent mieux aux points de contrôle cible, à l'aide d'une technique d'interpolation de TIN. Ce type de transformation nécessite au moins trois points de contrôle.
La transformation d'Helmert est une transformation de premier ordre qui tente de préserver la forme du raster d'origine. L'erreur QM tend à être supérieure à celle des autres transformations polynomiales, car la préservation de la forme est plus importante que le meilleur ajustement. La transformation d'Helmert nécessite au moins trois points de contrôle.
La transformation projective peut déformer des lignes afin qu'elles restent droites. Pour ce faire, les lignes qui étaient parallèles ne peuvent plus l'être. La transformation projective est particulièrement utile pour l'imagerie oblique et les cartes numérisées, et pour quelques produits d'imagerie tels que Landsat et Digital Globe. Un minimum de quatre liens est requis pour toute transformation projective. Lorsque quatre liens seulement sont utilisés, l'erreur QM est nulle. Lorsque plus de points sont utilisés, l'erreur QM est légèrement au-dessus de zéro. La transformation projective nécessite au moins quatre points de contrôle.
La transformation par spline est une méthode d'étirement caoutchouté réel qui optimise la précision locale mais pas la précision globale. Cette transformation s'appuie sur une fonction de spline, une fonction polynomiale segmentée qui garantit la continuité et le lissage entre des polynômes adjacents. Le spline transforme les points de contrôle source en points de contrôle cible ; la précision des pixels éloignés des points de contrôle n'est pas garantie. Ce type de transformation s'avère utile lorsque les points de contrôle sont importants et doivent être inscrits avec précision. L'ajout de points de contrôle supplémentaires peut augmenter la précision globale de la transformation par spline. Un spline nécessite au moins dix points de contrôle.
Interpréter l'erreur quadratique moyenne
Lorsque la formule générale est calculée et appliquée au point de contrôle, une mesure d'erreur résiduelle est renvoyée. L'erreur correspond à la différence entre la position finale du point d'origine par rapport à l'emplacement réel spécifié. L'erreur totale se calcule en prenant la somme des erreurs quadratiques moyennes (EQM) de tous les résidus pour le calcul de l'erreur QM. Cette valeur décrit l'homogénéité de la transformation entre les différents points de contrôle. Lorsque l'erreur est particulièrement importante, vous pouvez supprimer et ajouter des points de contrôle pour la corriger.
Bien que l'erreur QM soit une bonne évaluation de la précision de la transformation, ne confondez pas une erreur QM faible avec un résultat précis. Par exemple, la transformation peut encore contenir des erreurs significatives, dues à un point de contrôle saisi incorrectement. La précision de la conversion des données en entrée en coordonnées en sortie par la transformation polynomiale augmente avec le nombre de points de contrôle de qualité équivalente utilisés. Généralement, les transformations par ajustement et par spline produisent une erreur QM proche de zéro ; cela ne garantit toutefois pas un géoréférencement parfait de l'image.
Le résiduel avant affiche l'erreur en utilisant les mêmes unités que la référence spatiale de bloc de données. Le résiduel inverse affiche l'erreur en pixels. Le résiduel inverse avant mesure le degré de précision, en pixels. Tous les résiduels proches de zéro sont considérés comme étant les plus précis.
Conserver les informations de géoréférencement
Vous pouvez transformer définitivement votre jeu de données raster après l'avoir géoréférencé à l'aide de la commande Enregistrer dans un nouveau fichier de l'onglet Géoréférence ou via l'outil Déformer. Vous pouvez également stocker les informations de transformation dans les fichiers auxiliaires à l'aide de la commande Enregistrer de l'onglet Géoréférence.
L'outil de géotraitementEnregistrer dans un nouveau fichier ou Déformer crée un nouveau jeu de données raster qui est géoréférencé à l'aide des coordonnées cartographiques et de la référence spatiale. ArcGIS n'oblige pas à transformer définitivement le jeu de données raster pour l'afficher avec d'autres données spatiales. Cependant, il est recommandé de procéder ainsi si vous souhaitez l'utiliser dans des analyses ou avec un autre progiciel ne reconnaissant pas les informations de géoréférencement externes créées dans le fichier de géoréférencement.
L'enregistrement du géoréférencement stocke les informations de transformation dans des fichiers externes ; aucun nouveau jeu de données raster n'est créé, ce qui se passe habituellement lorsque vous transformez définitivement votre jeu de données raster. Dans le cas d'un jeu de données raster issu d'un fichier (TIFF, par exemple), la transformation est généralement mémorisée dans un fichier XML externe, avec une extension .aux.xml. Si le jeu de données raster est une image brute (au format BMP, par exemple) et que la transformation est affine, il sera écrit dans un fichier de géoréférencement. Dans le cas d'un jeu de données raster en entrée situé dans une géodatabase, la commande Enregistrer stocke la transformation des géodonnées dans un fichier auxiliaire interne du jeu de données raster.
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