Géologie  
   
  Du levé géologique à la cartographie numérique : modélisation spatiale et outil SIG
   
 



Mario Sartori*
Pascal Ornstein*
Cédric Métraux*
Andreas Kuehni**

 
  *CREALP : Centre de recherche sur l’environnement alpin, Sion (Suisse)
**OFEG: Office fédéral des eaux et de la géologie, Service géologique suisse, Bern
 
  CREALP : Le Centre de recherche sur l’environnement alpin de Sion est une passerelle entre le monde académique et le monde de la pratique et des services administratifs dans le domaine des sciences de la Terre et de l’hydrologie. Il fait oeuvre de pionnier depuis 15 ans dans la détection et la gestion des dangers naturels. A cet égard, il développe depuis plusieurs années, en collaboration avec le Service géologique national, une approche novatrice en matière de cartographie géologique en proposant une méthodologie et les outils associés permettant au travers de l’outil SIG de gérer toute la chaîne de production des cartes géologiques depuis le levé de terrain jusqu’à la réalisation de la carte géologique et de cartes thématiques orientées ‘métier’.

OFEG-SGN : Le Service géologique national Suisse a comme tâche prioritaire la réalisation de l’Atlas géologique de la Suisse au 1 :25'000. Pendant que se poursuit la production des cartes imprimées de grande qualité, le SGN veut répondre aux besoins des praticiens, des administrations et des chercheurs en offrant des produits cartographiques numériques performants en terme de potentiel d’analyse. Une méthodologie de production des cartes 1:25'000 centrée sur une approche SIG est en cours d’élaboration en collaboration avec le CREALP.

Constat :
L’approche SIG présente un potentiel d’analyse et de valorisation considérable pour les données géologiques. Cette évidence, reconnue par tous, ne se traduit pour l’instant que par peu de réalisations concrètes dans le domaine des cartes géologiques. Des versions numériques de ces cartes sont souvent proposées sous forme de produits raster géoréférencés (cartes-pixel) qui ne répondent pas pleinement aux besoins des utilisateurs en termes de géotraitement et d’analyse spatiale. Parmi les raisons qui expliquent ce retard, la complexité et la richesse du contenu des cartes géologiques jouent un rôle important et constituent à ce titre un défi pour une exploitation de ce type de données au travers de l’outil SIG.

Cartes géologiques et SIG.
La carte géologique traditionnelle concentre en 2D, voire en 3D (formations géologiques superposées) une gamme d’informations de natures très diverses (lithologique, chronologique, structurale, morphologique,, …) et de type spatial varié (données ponctuelles, linéaires, surfaciques). Chaque objet cartographié recèle une grande richesse sémantique qui se révèle lorsque l’on tente de concevoir les bases de données spatiales et tabulaires qui permettent de modéliser dans un SIG l’information contenue sur la carte géologique.
Des solutions doivent être trouvées aussi bien pour modéliser l’information extraite à partir de cartes existantes que pour celle consignée dans les levés cartographiques inédits. Dans ce dernier cas, la solution SIG doit également permettre la production de nouvelles cartes papier avec une qualité équivalente aux cartes produites à travers une chaîne d’édition classique.
La méthodologie présentée ici est adaptée au processus de traitement complet de la carte géologique, du levé de terrain à l’édition finale sous forme numérique et imprimée. Le concept de base de donnée tabulaire qui est développé en parallèle n’est pas abordé.


Construction du SIG géologique à partir des données de terrain.
La modèle de données sous-jacent au SIG géologique se doit de répondre à un certain nombre de contraintes fortes, notamment :

- décrire fidèlement et de manière exhaustive le contenu de la carte géologique.
- associer les différents objets constitutifs de la carte dans des thèmes conformes à leur signification géologique.
- établir une méthode de construction topologiquement « propre », (p.ex. au niveau de la superposition de lignes dans différents thèmes) mais néanmoins rationnelle en terme de coût de production.
- mettre à disposition un outil à potentiel d’analyse optimum.

Le potentiel d’analyse du SIG peut être amélioré si le levé géologique et la préparation des données sont effectués en prévision de la construction d’un modèle spatial SIG complet, par exemple avec la réalisation d’un écorché permettant de définir en tout point la nature présumée du substratum rocheux


Architecture du modèle spatial
Le modèle de données proposé consiste en une base de données spatiale multicouches permettant l’élaboration de la carte géologique par superposition de différents plans d’information. Cette approche implique la séparation de l’information géologique de base en différents thèmes c'est-à-dire en ensemble d’objets géologiques homogènes ayant un même type spatial. L’information « pseudo-3D » contenue dans la carte géologique et dans l’écorché tectonique est rendue par la superposition de thèmes de type polygones (« substratum rocheux » et « formations superficiels p. ex.). Des thèmes de type lignes (« éléments structuraux« , « éléments morphologiques ») et de type points (« symboles orientés », symboles non orientés », « forages » etc.) complètent l’information.


Exemple de minute géologique de terrain comprenant les données de base


Ensemble des lignes de la carte géologique vectorisé dans un thème de construction


Polygones construits à partir des lignes importées dans le thème « substratum rocheux »

Polygones construits à partir des lignes importées dans le thème « terrains superficiels »


Carte géologique obtenue par superposition des thèmes du SIG


Carte des instabilités de versant : carte ‘métier’ dérivée par analyse spatiale à partir du SIG



Bloc-diagramme du secteur donné en exemple. Une information « pseudo 3D » est incluse dans le SIG grâce à la superposition des 2 thèmes « substratum rocheux » et « terrains superficiels ». Pour atteindre une parfaite cohérence topologique entre les différents thèmes, toutes les lignes de la carte sont vectorisées dans un seul thème de construction et attribuées de manière simple ou multiple.


Méthode de construction du SIG
Schématiquement, une carte géologique est constituée de surfaces auxquelles sont attribués des codes de couleur permettant de distinguer les différentes unités de terrains.

La réalité est plus complexe. Chaque surface est circonscrite par des segments de lignes qui sont les « objets (briques) élémentaires » de la carte. Certaines de ces lignes cumulent plusieurs significations géologiques (limite d’affleurement, niche d’arrachement et limite de tassement rocheux par exemple).
Dans le SIG, chaque ligne appartiendra à un ou plusieurs thèmes, comme élément constitutif de polygones ou comme élément linéaire à signification structurale ou morphologique.

La méthode développée consiste à numériser toutes les lignes de la carte géologique dans un seul thème de construction. Chacune de ces lignes reçoit une attribution simple ou multiple en fonction de son appartenance aux différents thèmes constitutifs de la carte géologique. Ces attributs reflètent la ou les fonctions géologique(s) de chaque objet levé par le géologue sur le terrain.
L’attribution discriminante des lignes dans le thème de construction permet d’extraire de manière semi-automatique les éléments de base des différents thèmes de type ligne et polygones. Une opération topologique est encore nécessaire pour générer les surfaces et leur conférer une attribution spécifique. Une procédure itérative intégrant tests de validation, corrections et reconstruction géométriques permet par ailleurs de garantir la cohérence topologique et sémantique du SIG.

Méthode de construction à partir d’un seul thème contenant toutes les lignes de la minute géologique. Une attribution simple ou multiple de chaque ligne permet leur extraction et leur affectation dans différents thèmes constitutifs de la carte géologique dans le SIG.

TOOLMAP : des outils d’attribution, de représentation et de validation
La nécessité d’attribuer, parfois de façon multiple, un grand nombre d’objets serait un obstacle à la mise en œuvre de cette méthode si un outil spécifique (TOOLMAP) n’avait pas été développé. TOOLMAP offre sous ArcGIS (ArcMap) une palette d’outils disponibles sous forme de menus, de boutons, de listes à choix, de formulaires permettant de construire et d’attribuer les points, les lignes et les polygones qui figurent les différents objets géologiques dans le SIG. Cet outil permet également de représenter automatiquement les signes, orientés ou non, avec leurs symboles officiels à partir d’un « font » spécial a été créé à cet effet. Il intervient aussi dans les processus de validation topologique et sémantique et dans l’extraction des lignes. Bien que conçu à l’origine pour l’implémentation d’un SIG géologique, sa conception ouverte et sa richesse fonctionnelle font de TOOLMAP un outil tout à fait adapté à d’autres domaines de cartographie.

Les barres d’outils « TOOLMAP » telles qu’elles apparaissent dans ArcMap. La fonction d’attribution et de représentation des symboles orientés est illustrée ici.

Trois manières d’attribuer des lignes avec « TOOLMAP ». Listes à choix (a), Formulaires à choix multiples (b) Raccourcis-clavier (c). Les attributions multiples sont possibles. Les listes d’attributs sont chargées à partir d’une table dBase.

Conclusions et perspectives
La méthode et les outils mis au point par le CREALP et le Service géologique national Suisse permettent de placer le SIG au centre du processus de production des futures cartes géologiques et donc de constituer le noyau analytique et évolutif de l’information géologique . Le géologue cartographe peut directement traduire les données de terrains dans le SIG en les confrontant, à tous les stades de production de la carte (levé, numérisation), à d’autres produits géoréférencés tels que MNT et orthophotos. Cette information peut ensuite être reprise dans le processus d’édition cartographique classique grâce à un protocole de transfert des données qui a été testé.

Cette méthode a été développée originellement pour la production du SIG géologique à partir des données cartographiques de terrain, mais elle a pu être facilement adaptée à la vectorisation et au transfert sur SIG des cartes déjà publiées.
La conception et l’implémentation future d’une véritable géodatabase est un autre défi qui doit être tenu pour permettre de gérer l’information sur une large échelle.
Ainsi implémenté, le SIG géologique devrait offrir à terme une méthode d’acquisition et une plateforme d’édition commune pour les futures cartes de l’Atlas géologique suisse. Il offrira par ailleurs un outil d’analyse et de mise à jour à même de répondre aux besoins d’un large public allant de l’étudiant au décisionnaire en passant par le chercheur et le praticien.