Introduire les SIG dans une école d`ingénieurs pour

HydroGIS 96: Application of Geographic Information Systems in Hydrology and Water Resources
Management (Proceedings of the Vienna Conference, April 1996). IAHS Publ. no. 235, 1996.
89
Introduire les SIG dans une école d'ingénieurs pour
l'eau et l'environnement
MICHEL WURTZ
ENGEES, Laboratoire Territoires & Environnement, 1 Quai Koch, BP 1039,
F-67070 Strasbourg Cedex, France
Résumé Ce document fait le point sur notre expérience dans l'introduction des SIG à l'ENGEES. Le peu de moyens disponibles pour cet
enseignement, secondaire par rapport aux préoccupations principales de
l'école, la faible culture informatique des étudiants et le coût des données
numériques sont les problèmes majeurs rencontrés. Une solution en cours
d'adoption consiste à profiter des logiciels du domaine public (Grass et
Linux) et de la mise en place d'une nouvelle salle de dessin assisté par
ordinateur pour équiper une dizaine de poste à un coût extrêmement
réduit. Grass, même s'il suppose une adaptation à un nouveau système
(UNIX et X-Window), offre l'avantage d'être utilisé par d'autres
laboratoires de recherche et de disposer d'outils de modélisation
hydrographiques intéressants (ANSWERS, AGNPS). Par ailleurs, Grass
permet l'échange de données avec des SIG commerciaux, en particulier
Arc/Info et Maplnfo (les plus répandus au sein du ministère de
l'agriculture de pêche et de l'alimentation), ce qui facilite la coopération
avec nos partenaires. Il existe cependant des cas où un logiciel plus
"standard" devrait être utilisé, en particulier dans les projets impliquant
un partenaire équipé d'un SIG commercial. Mais l'achat peut en être
différé pour l'instant. Le problème de la disponibilité des données,
lorsqu'il ne peut se résoudre par des échanges avec les partenaires de
l'école, ou par la numérisation dans le cadre du projet, reste préoccupant.
Abstract GIS is not used at its full potential for water resources
management in France, particularly as far as technical services of the
administration are concerned. In France, many efforts are made to
improve the use of GIS. At the ENGEES School for Water and
Environment Engineering at Strasbourg (Ecole Nationale du Génie de
l'Eau et de l'Environnement de Strasbourg), GIS was introduced at the
end of 1994 along with the establishment of a new research laboratory for
Land Management and Environmental Engineering. It soon became
evident that the budget for the teaching material would be very low. In
order to minimize initial costs, the systems to be used by the students
should meet several requirements: they should be compatible with
available PC hardware, they should make use of public domain software
or shareware, they should be able to communicate with other servers and
GIS on a network, they should be simple to understand and operate, and
they should have potential for software extension. Those constraints lead
to a solution (Linux and Grass) which is presently being tested. One of
Michel Wurtz
90
our first conclusions is that this can be a powerful but inexpensive system
for discovering GIS and learning how to apply it to hydrology or water
resources management. However, cultural background prevents us to use
this kind of solution for any research work done in collaboration with a
governmental agency or an institutional body. A more classic — and
expensive - system (UNIX workstation and commercial GIS product)
is supposed to be used to support the research work of the laboratory.
Fortunately, data exchange between Grass and the main commercial
products used at the agricultural agencies (Arc/Info and Maplnfo) is
relatively easy. This also gives an answer to another problem that was
encountered: the cost of spatially related data, which can be solved by a
good cooperation policy.
INTRODUCTION
L'utilisation des SIG n'est pas encore très répandu en France, en particulier au niveau
des services techniques des administrations. Ceci peut s ' expliquer par plusieurs facteurs :
- les données numériques sont encore rares;
- lorsqu'elles existent, leur coût est souvent dissuasif;
- les SIG et les outils associés (modélisation, télédétection) sont encore peu connus;
et
- les habitudes et l'arrière-plan culturel conduisent à préférer des logiciels spécialisés
sur PC.
Cette situation évolue cependant, et beaucoup d'efforts sont en cours pour
développer l'usage des SIG, tant au niveau des administrations qu'à celui des organismes
de formation (Didier et al., 1993).
A l'ENGEES (Ecole Nationale du Génie de l'Eau et de l'Environnement de
Strasbourg), qui forme des ingénieurs spécialisés en hydraulique appliquée (dont un tiers
de fonctionnaires appelés à travailler au Ministère de l'Agriculture de la Pêche et de
l'Alimentation), le concept de SIG a été introduit fin 1994 à l'occasion de la mise en
place d'une nouvelle unité de recherche, le laboratoire Territoires & Environnement,
Les seuls logiciels systématiquement enseignés jusqu'alors, outre les logiciels
classiques en bureautique (traitement de texte, tableur), étaient ceux relevant directement
des applications traditionnelles: calcul de réseaux, calcul de bassins versant, etc.
Dans le cas de la gestion des réseaux, ces logiciels permettent d'en traiter la
topologie, mais n'offrent aucune visualisation spatiale des réseaux, et a fortiori, de leur
contexte. Ceci se conçoit de moins en moins, en particulier pour les nouveaux aménagements. Au niveau des études environnementales et de la cartographie, seul le dessin
assisté par ordinateur (DAO) était utilisé.
Améliorer la dimension géographique de l'enseignement et introduire des outils
permettant la gestion de l'espace est donc une des préoccupations majeures de l'école.
Ceci nous a conduit à poser plusieurs questions:
QUEL TYPE D'ENSEIGNEMENT SIG FAUT-IL METTRE EN PLACE?
L'objectif du laboratoire Territoires & Environnement n'est pas seulement d'améliorer
Introduire les SIG dans une école d'ingénieurs pour l'eau et l'environnement
91
la vision de l'espace au travers d'études méthodologiques, mais aussi de tirer profit du
résultat de ces travaux pour apporter un enseignement des SIG au niveau de la formation
initiale d'ingénieur et d'aider les autres laboratoires de l'ENGEES (hydrologie urbaine,
réseaux d'eau potable, gestion des services publics) à prendre en compte et utiliser cet
outil.
Cependant, même pour les étudiants ayant des sujets de mémoire traitant de
problématiques environnementales et utilisant donc SIG et télédétection durant leur
stage, il ne s'agit que d'outils. Il n'est donc question ni de former des spécialistes du
logiciel (le niveau moyen en informatique de nos étudiants n'y suffirait d'ailleurs pas),
ni de consacrer à cette formation un temps trop long: le but premier de l'école est
ailleurs.
Par contraste, les SIG sont généralement des logiciels complexes, nécessitant des
temps d'apprentissage prolongés. Un tel investissement peut se concevoir à l'occasion
d'une thèse, qui dure plusieurs années, mais se justifie beaucoup plus difficilement dans
le cadre d'un DEA (Diplôme d'Etude Approfondie) ou d'un Mastère, et encore moins
lors de la formation initiale.
QUELLE STRATEGIE D'IMPLANTATION ADOPTER?
La règle veut que l'approche soit structurée:
— analyse et définition des besoins;
— choix du SIG en fonction de cette analyse; et
— choix du matériel, du système d'exploitation, des prestataires éventuels.
En pratique, on s'adapte généralement à l'existant, ce qui dans notre cas a imposé
des contraintes supplémentaires:
— matériel de type PC sous DOS/Windows (une station de travail sous UNIX est
néanmoins déjà utilisée au niveau des laboratoires de recherche);
— implantation d'une dizaine de postes au minimum, mais utilisation faible (peu de
projets sont directement justiciables de l'utilisation d'un SIG);
— applications diverses, nécessitant un SIG sachant traiter tant le mode raster que le
mode vecteur (plusieurs petits projets différents, plutôt qu'un gros projet); et
— crédits limités, conduisant à rechercher les solutions les plus économiques.
QUEL SIG CHOISIR?
Compte tenu des réflexions précédentes, le dilemme posé par les SIG est encore plus
marqué dans notre cas. On a en effet à choisir entre:
— des SIG simples et peu coûteux, d'un fonctionnement intuitif et convivial, et dont
l'apprentissage des fonctions de base se fait en un ou deux jours: ils sont souvent
limités au niveau des possibilités d'analyse, de manipulation et de volume de
données; et
— des SIG adaptés à des tâches complexes, et pouvant traiter de gros volumes de
données: le temps mis pour les maîtriser est souvent proportionnel à leurs
possibilités, et leur convivialité est rarement exemplaire.
Du point de vue matériel, la solution a consisté à profiter de la mise en place d'une
salle de DAO. Les exigences sont similaires à celles posées par l'utilisation d'un SIG:
92
Michel Wurtz
écran de grande taille et de bonne définition (minimum 17" et 1024 X 768), possibilités
graphiques étendues, puissance de calcul, dispositifs d'acquisition de données (table à
numériser, scanner) et de restitution (traceur grand format, imprimantes laser et jet
d'encre couleur). Le surcoût pour les SIG consiste essentiellement en l'augmentation de
l'espace disque de base, pour tenir compte du logiciel et du volume de données
supplémentaire.
Aucun des deux logiciels n'est utilisé toute l'année. Une bonne organisation au
niveau de l'emploi du temps est donc nécessaire afin d'éviter les conflits potentiels au
niveau de l'utilisation du matériel, ce qui n'est pas toujours facile!
Au niveau du SIG, rien n'était disponible la première année à l'ENGEES.
L'utilisation des services d'un autre centre de formation, qui disposait des logiciels PC
Arc/Info (ESRI, 1993) et Idrisi (hélas pas dans les dernières versions) a permis de mener
une première expérience. Elle a montré les limites de l'utilisation d'un produit peu
convivial ou aux possibilités limitées dans le contexte de l'école. Elle sera complétée
cette année par un test de l'utilisation du logiciel Maplnfo à l'occasion d'une
collaboration avec l'Université Louis Pasteur.
En parallèle une comparaison des différents logiciels "bon marchés ", principalement
ceux de type "shareware" ou "freeware" disponibles nous a conduits à considérer très
sérieusement les produits accessibles sur Internet et à les évaluer. Grass (Geographic
Resources Analysis Support System) (Saphiro étal., 1993; USACERL, 1993) se détache
nettement des autres:
- c'est un logiciel stable et robuste: développé depuis les années soixante-dix, il a
considérablement évolué et s'est adapté à l'architecture des systèmes modernes;
— il possède une base d'utilisateurs étendue: sa pérennité est donc assurée;
— outre ses possibilités en mode "raster", il permet de travailler avec des données en
mode vecteur et offre des possibilités de traiter des images satellitaires;
- il offre des passerelles vers d'autres SIG, ce qui permet de faciliter les échanges de
données;
— de nombreux outils d'analyse et de modélisation sont bâtis sur Grass, en particulier
les modèles hydrologiques AGNPS ou ANSWERS (Delclaux, 1993); ils peuvent
donc aussi participer à la constitution d'une boite à outil économique; et
- d'autres laboratoires de recherche, en particulier parmi nos partenaires habituels,
ont testé et utilisent Grass, qui pourrait ainsi devenir à terme un référentiel commun
(Bellivier, 1994).
Dans une première étape, Grass a été installé sur deux systèmes, une station Sun et
un PC sous Linux (clone UNIX du domaine public), en vue de son évaluation. La
deuxième étape consiste à le mettre en place sur les machines de la salle DAO, avec un
choix au démarrage de la machine entre DOS (pour AutoCad) et Linux (pour Grass).
Actuellement, Grass est utilisé au niveau du laboratoire, ainsi que par des élèves en
dernière année dans le cadre de leur stage de fin d'études.
GRASS + LINUX: UNE SOLUTION UTILISABLE EN ENSEIGNEMENT?
Le problème majeur soulevé par ce choix est celui du système d'exploitation, qui diffère
beaucoup de DOS/Windows, auquel les élèves sont habitués, ce qui allonge de facto le
temps de familiarisation avec le système. Cependant, Grass aussi bien que le système
Introduire les SIG dans une école d'ingénieurs pour l'eau et l'environnement
93
UNIX offrent des possibilités de configuration par l'administrateur du système qui
permettent de lancer automatiquement l'environnement graphique et Grass. Le
lancement de l'application requiert ainsi moins de dialogue avec l'utilisateur que celui
d'une application Windows en réseau Novell! A la limite, et moyennant une bonne
adaptation de l'environnement graphique, le système d'exploitation est complètement
transparent pour l'utilisateur.
Grass a été jugé légèrement plus convivial que PC Arc/Info par les étudiants qui
l'ont utilisé. Les possibilités nouvelles introduites par l'utilisation d'interfaces
graphiques (Xgrass ou Tkgrass) améliorent encore la facilité de prise en main du logiciel
qui, sans arriver au niveau de souplesse et de convivialité d'un produit commercial sous
DOS/Windows, devient ainsi facilement abordable, même pour un "non-informaticien".
La rusticité de Grass (i.e. il n'y a pas de "boite noire"), que l'on pourrait considérer
comme un handicap par rapport aux logiciels interactifs presse-bouton, doit d'ailleurs
plutôt être vue comme un avantage pédagogique: la décomposition des opérations
complexes en commandes simples aide l'élève à bien comprendre ce qu'il fait, et
pourquoi il le fait. En corollaire, ceci le conduit à écrire des procédure pour les
opérations répétitives, et donc à apprendre à adapter un SIG à ses besoins particulier.
Par ailleurs, UNIX fonctionne très bien en environnement réseau, et on peut ainsi
construire une architecture client-serveur sur la base d'un poste "maître" et de postes
"étudiants" associés. Cette démarche simplifie la tâche de l'enseignant lors des travaux
pratiques:
— préparation et mise à disposition des données du cas à traiter;
— mise à disposition de procédures et fonctions de bibliothèques;
— distribution des résultats intermédiaires et des procédures corrigées; et
— contrôle aisé du poste élève depuis un poste central.
Enfin, Linux et Grass se sont comportés de manière particulièrement fiable, et le
couple Grass/Linux sur un processeur Pentium s'est montré aussi performant que sur
une station de travail pourtant cinq fois plus chère!
QUELLES DONNEES ET A QUEL PRIX?
Parmi les problèmes rencontrés, il s'agit de celui qui est le plus difficile à résoudre. Le
coût des données est probablement ce qui freine le plus la diffusion des SIG. Ceci est
particulièrement vrai dans le domaine de l'éducation, où l'on se trouve généralement
dans la situation suivante:
— le cas à traiter demande des données bien précises qu'on ne peut qu'acheter (c'est
particulièrement vrai dans le cas des images satellitaires), alors qu'on en n'a pas les
moyens; et
- les données exemples et autres j eux d ' essais ne conviennent pas (zone géographique
inadéquate, date de prise de vue incompatible avec le phénomène étudié, etc.)
Une solution consiste à exploiter les projets traités par le laboratoire, en récupérant
des procédures écrites et des données achetées à cette occasion pour construire une
application de travaux pratiques qui pourra être utilisé lors de l'enseignement des années
suivantes. Cette solution n'est cependant pas universelle, etn'estpas vraiment applicable
avec un laboratoire très jeune (très peu de projets achevés et donc de données
disponibles).
94
Michel Wurtz
Il reste la numérisation manuelle, ou les données provenant d'autres projets, souvent
aux formats les plus divers! UNIX offre heureusement beaucoup de possibilités de
traitement, en particulier pour traiter des données textuelles (avec des outils comme sh,
awk, grep, sed, perl, etc.), sans avoir besoin d'utiliser un langage de programmation
traditionnel (C, pascal, fortran). Là aussi, on peut considérer que c'est un avantage par
rapport aux SIG tournant sous DOS/Windows, même si on peut utiliser pour cela des
produits comme Dbase ou Excel.
QUELLES LEÇONS TIRER DE CETTE EXPERIENCE ET COMMENT
ENVISAGER L'AVENIR?
La méfiance française (européenne?) vis à vis des logiciels "gratuits" n'épargne pas
Grass. Ceci est un handicap au niveau du laboratoire, qui devrait s'équiper d'un logiciel
commercial pour pouvoir bénéficier de certains contrats. Ceci ne remet pas en cause le
choix initial, d'autant plus qu'il existe de plus en plus de passerelles permettant
l'échange de données entre SIG.
D'autre part, Grass n'est pas exempt de défauts: s'il traite bien les données raster,
et dispose de possibilités de traitement d'image, il ne permet pas d'utiliser les données
vectorielles pour des calculs de réseaux, ce qui peut être un handicap au niveau de
l'introduction des SIG dans les autres laboratoires de l'école. L'achat d'un SIG disposant
d'outils puissant de gestion de réseaux permettra aussi de combler cette lacune.
Enfin, si pour l'instant les systèmes sont isolés sur leur propre réseau informatique,
il est prévu de profiter de l'acquisition d'un SIG commercial sur une station de travail
UNIX dans un avenir proche pour faire de cette station une passerelle entre le réseau
étudiant et le réseau de la recherche (Fig. 1). Les avantages attendus de cette
configuration sont les suivants:
PC (Linux+Grass ou Windows+Autocad+ArcView)
Réseau étudiant
Serveur UNIX + Arc/Info - passerelle IP
PC (Windows+ArcView)
PC (Linux+Grass)
Réseau recherche et administration
Fig. 1 Architecture prévue du réseau DAO/SIG.
Introduire les SIG dans une école d'ingénieurs pour l'eau et l'environnement
95
— utilisation facile des données acquises en recherche pour les travaux pratiques;
— isolation des deux réseaux pour toute autre opération que celles prévues (partage de
certaines données, courrier électronique), avec la possibilité de sécuriser les travaux
de recherche par rapport aux élèves en formation initiale; et
— évolution à terme vers une station maître équipée d'un SIG puissant, et des postes
clients sur PC (p. ex. station avec Arc/Info et PC avec Arcview).
En attendant la mise en place de cette configuration, l'adoption de Grass au niveau
de l'enseignement des SIG a permis de montrer qu'il est possible de disposer d'un SIG
puissant au seul coût d'un matériel standard: un PC équipé d'un pentium 66, de 16 Mo
de mémoire et de 360 Mo de disque, soit une configuration à peine suffisante pour
Windows 95 suffit à faire tourner Grass + Linux de manière confortable. Ceci nous
permet d'affirmer que même avec un budget très faible, il est possible d'introduire
l'enseignement des SIG dans une école d'ingénieurs, condition indispensable à une
meilleure utilisation de cet outil dans l'avenir.
REFERENCES
Bellivier, D. (1994) Etude de Grass en vue du couplage SIG modèle hydrologique. (Grass study for GIS and hydrological
model coupling). Mémoire de stage à l'ORSTOM, Montpellier.
Delclaux, F. (1993) Exemples d'utilisation d'un SIG pour la gestion de données d'un modèle hydrologique spatialisé.
(Example of GIS use for data management in a spatialized hydrological model). Actes des Journées ENGREF "SIG et
Modèles ", Montpellier.
Didier, M. & Bouveyron, C. (1993) Guide Economique et Méthodologique des SIG (Economie and methodological guide
of GIS). Hermès, Paris.
ESRI (1993) Understanding GIS. The ARC/INFO Method. Longman, Harlow (co-published in the US with John Wiley &
Sons, New York).
Saphiro, M., Westervelt, J., Gerdes, D., Larson, M. & Brownfield, K. (1993) Grass 4.1 Programmer's Manual.
(ftp. ccccr. army. mil).
USACERL (1993) Grass 4.1 User's Reference Manual, (ftp.ccccr.army.mil).