apport des systèmes d'information géographique (sig) pour ... - EPFL

APPORT DES SYSTÈMES D'INFORMATION
GÉOGRAPHIQUE (SIG) POUR LA SURVEILLANCE ET
L'ÉVALUATION DE LA QUALITÉ DES EAUX CÔTIÈRES.
UNE CONTRIBUTION À LA GESTION INTÉGRÉE DE LA ZONE
CÔTIÈRE COLOMBIENNE
PRÉSENTÉE À LA FACULTÉ D'ENVIRONNEMENT NATUREL, ARCHITECTURAL ET CONSTRUIT
SECTION DES SCIENCES ET INGÉNIERIE DE L'ENVIRONNEMENT
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES TECHNIQUES
PAR
Luis Berardo BORDA
biologiste marin diplômé de la Fundacion Universidad de Bogotzi "Jorge Tadeo Lozano", Colombie
et de nationalité colombienne
acceptée sur proposition du jury:
Prof. F. Golay, directeur de thèse
Dr R. Caloz, rapporteur
Prof. C. Collet, rapporteur
Dr J. Denis, rapporteur
Prof. J.-B. Lachavanne, rapporteur
Prof. R. Schlaepfer, rapporteur
Lausanne, EPFL
2003

Résumé
Rappeler que les zones côtières sont le lieu de toutes les pressions démographiques, économiques et
écologiques n'est pas un truisme, mais une nécessité. En effet, le modèle de développement socioéconomique
exercé sur ces espaces a engendré de nombreux processus de détérioration qui se traduisent notamment par
l'augmentation de la pollution marine côtière.
Le concept de Gestion Intégrée des Zones Côtières (GIZC) apparaît alors devant la nécessité de prendre en
compte les relations complexes existant entre les activités humaines et le milieu littoral, ceci afin d'atteindre
le but de développement durable de ces espaces. Cependant, la mise en application de ces notions nécessite
une description exhaustive du milieu et de ses règles de fonctionnement, ainsi qu'une procédure
interdisciplinaire pour l'analyse des problèmes de développement et d'échanges d'information. Pour ce faire,
il est nécessaire de récolter, gérer, traiter et diffuser une masse considérable de données attributives et
géoréférencées. Le Système d'Information Géographique (SIG) représente un outil géoinformatique
relativement bien adapté pour répondre aux besoins exprimés ci-dessus. Ses capacités de stockage, de
maintenance, de consultation, de diffusion et d'analyse en font un outil performant pour l'ensemble des
activités de gestion et de recherche.
Après une évaluation générale de ces deux piliers (la GIZC et les SIG) sur lesquels s'appuie cette recherche,
celle-ci se poursuit sur les aspects d'évaluation de la qualité des eaux côtières (question au cœur des
problématiques dont la zone côtière est le siège), dans le cadre colombien. En effet, si les zones côtières
colombiennes ne font pas partie des zones côtières les plus touchées par les problématiques les plus
importantes au niveau mondial, elles présentent néanmoins des symptômes de détérioration, résultats d'une
gestion inadéquate ou insuffisante. La Colombie ne dispose pas encore d'une vision intégrale et globale des
écosystèmes, ni même d'une base analytique complète qui puisse prétendre s'approcher d'une gestion
rationnelle et soutenable des ressources. Concernant la qualité de ces eaux côtières, la Colombie n'a pas
formulé de normes nationales standard sur les niveaux autorisés de toxiques et de contaminants sanitaires
dans le milieu marin, ni d'indicateurs pour évaluer les niveaux de risque auxquels sont exposés les
écosystèmes marins et, encore moins, d'un système d'information concernant l'état de la qualité du milieu
marin et de ses ressources naturelles.
Notre travail de recherche constitue donc un premier pas dans le domaine de la surveillance et l'évaluation de
la qualité des eaux côtières en Colombie vers l'établissement du futur Système d'Information National Côtière
(SIC) dont le ministère colombien de l'environnement planifie la mise en oeuvre. Dans ce contexte, les
principaux résultats de notre étude peuvent se résumer comme suit :
Evaluation de l'état actuel de la gestion des zones côtières. Elle permet, à partir des entrevues
réalisées auprès d'un groupe ciblé d'acteurs concernés, de décrire les attentes et contraintes les plus
importantes du rôle que devrait jouer un SIG dans un cadre de la GIZC.
Définition d'un référentiel géographique de la zone côtière. Examen et évaluation des différentes
procédures de découpage des zones côtières basées sur une analyse spatiale. Avec le concours d'un
groupe ciblé de personnes travaillant dans les centres les plus importants de gestion et de recherche du
milieu marin en Colombie, un découpage du littoral Caraïbe colombien - ayant comme but la définition
des unités de gestion et de surveillance - est proposé.
Développement d'une méthodologie d'évaluation de la qualité des eaux côtières. Avec l'apport de
l'Institut pour la recherche du milieu marin (INVEMAR), une liste exhaustive des indicateurs est établie.
Le modèle conceptuel, physique et de traitements de données, ainsi que son exploitation à travers un
SIG, sont présentés.
Estimation et interpolation spatiale au moyen d'un SIG. Une étude géostatistique, en utilisant un jeu
de données obtenues lors d'une campagne d'évaluation dans une des unités définies, permet de montrer
l'intégration (performances et limitations) des SIG avec des outils géostatistiques.
Développement d'une maquette SIG qui permet de montrer, à travers quelques exemples réels
d'application, les potentialités des SIG et du Système de Gestion de Base des Données SGBD.

Abstract
To state that coastal zones are areas subject to a wide range of demographic, economical and ecological
pressure is not a truism, but a necessity. lndeed, the socio-economic development modiel put into practice in
these areas has given rise to numerous deterioration processes which result notably in increased marine
coastal pollution.
The concept of Integrated Coastal Zone Management (ICZM)) arose in response to the need to consider the
complex relationship existing between human activities and coasiral areas, and to bring about the sustainable
development of these last. However, these notions cannot be put into practice without an exhaustive
description of both the area in question and its operating des, not to mention an intertiisciplinary procedure
for analysing the development and information exchange problenls that arise. To achiewe this it is necessary
to gather, manage, process and diffuse a considerable mass of attributive and georeferenced data. A
Geographical Information System (GIS) represents a geotechnological tool that is relatively well-adapted to
respond to the needs mentioned above. Its capacities for storagr:, maintenance, consultation, diffusion and
analysis of data make it an efficient tool for al1 types of management and research activities.
After a general evaluation of the ICZM and GIS tools used in this investigation, ths investigation evaluates
coastal water quality (the main coastal zone problein) within the Colombian fiamework. Colombian coastal
zones may not appear to be the most affected coastal zones in the world, however they show symptoms of
deterioration as a result of inadequate or insufficient management. As of yet, Colorribia does not have an
integral and global vision of ecosystems, nor even a full analytical basis which may provide a rational and
sustainable management of resources. Conceming coastal water quality, Colombia has not yet established
national standards regarding authorised poison and contaminant levels in marine areas, nor indicators to
evaluate the level of risk at which marine ecosystems are exposed, not to mention an information system
compiling the quality of marine areas and their natural resources.
Our investigation constitutes the first step in the surveillance and evaluation of Colombian coastal water
quality with the aim of contributing to the future National Coastal Information System (SIC) to be
implemented by the Colombian Minister of Environment. Withiri this context, the main results of our study
can be sumrnarised as follows:
Evaluation of present coastal zone management practices. From interviews conducted on a target
group of affected actors, it is possible to describe the expectations and most important limitations to
using a GIS within a GIZC fiamework.
Definition of a referential geographical coastal zone. Investigation and evaluation of different
procedures for dividing the coastal zones based on spatial analysis. With the participation of a target
group of persons working in the nwst important Colombian marine research centers, a spatial division of
the Colombian Caribbean Coast is proposed. The aim is to define management and surveillance units.
Development of a methodology for evaluating coastal zone quality. With the aid of the Research
lnstitute of Marine Areas (INVEMAR), a complete list of indicators is established. The conceptual,
physical and data processing model is presented, as well as its operation by means of a GIS.
Estimation and spatial interpolation by means of a GIS. A geostatistic study, using data obtained
during an evaluation campaign in one of the defined spatial units, pennits an assessment of the
integration level (performance and limitations) of a GIS with geostatistical tools.
Development of a GIS mode1 that allows, through several real examples of application, the potential of
a GIS and a Database Management System (SGBD).

Résumé
Abstract
Table de matières
Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des annexes
Table des matières
INTRODUCTION GENERALE ...............................................................
. .
......................................................................................................
Mise en situation
Importance et problématique des zones côtières .................................................................
Rôle des SIG dans la GIZC ..........................................................................................
. .
Principales contraintes vers la GIZC ..............................................................................
. .
Objectifs ...............................................................................................................
1
1
2
3
4
Plan du rapport ........................................................................................................ 4
PREMIERE PARTIE : CADRE DU DOMAINE ETUDIE
CHAPITRE 1 CONCEPTS ET FONDEMENTS DE LA GESTION INTÉGRÉE DES
.....................................................................................................................................
1.2 LA ZONE CÔTIERE
. . .
1.2.1 Definition .................... . .........................................................................................................
9
9
1.2.2 Composantes ............................................................................................................................... 10
1.2.3 Problématique ....... ... ................................................................................................................... 10
1.2.4 Gestion Intégrée et développement durable ................................................................................. 13
1.2.4.a Definition. object!f général et dérozrlenzent du processzis GIZC ................................................ 15 1.2.4.6 Principes et fonctiorzs ............................................................................................................... 17
1.2.4. c Acteurs ..................................................................................................................................... 18
1.3 LES SYSTEMES D'INFORMATION GÉOGRAPHIQUE (SIG) . BREFS REPERES ............................................... 19
. . . . .
1.3.1 Definition et finalites ................... . ............................................................................................. 19
1.3.2
1.3.2. a
Données ...................................................................................................................................... 20
Bases de données ..................................................................................................................... 21
1.3.2. b Conception et fornzalisation ...................................................................................................... 22
1.3.2. c
1.3.2.d
Structuration ............................................................................................................................ 25
Métadonnées ............................. , ................................................... , .......................................... 26
1.3.2.e Echelle ...................................................................................................................................... 26
1.3.3
1.3.4
1.3.5
Analyse spatiale dans les SIG -Traitements .................................................................................... 27
. .,
Finalites ....................................................................................................................................... 29
. .
Logiciels SIG ................................................................................................................................. 29
1.4 LES SIG AU SERVICE DE LA GIZC .......................................................................................................... 30
1.4.1 Interaction SIG - GIZC, quelques exemples d'application ........... . ............................................. 31
1.4.2 Internet au service des SIG et de la GIZC ................................................................................... 39
1.4.3 Rôle des SIG dans le cadre de la GIZC ........................................................................................ 40
1.4.3.a Rôle principal des SIG ............................................................................................................. 41 1.4. 3 b Attentes de la GIZC .................................................................................................................. 42
i
11
...
111
vii
ix
X

CHAPITRE 2 SURVEILLANCE
ET ÉVALUATION DE LA QUALITÉ DU MILIEU
LITTORAL 45
.....................................................................................
................................................................
2.3 CONCEPTS ET FONDEMENTS DU ZONAGE DE LA ZONE CÔTIÈRE 50
. .
2.3.1 Définition du zonage ................................................................................................................. 50
. .
2.3.2 Principe de délimitation du territoire littoral .............................................................................. .... 51
2.3.2. a Découpage Iongitudinal. ........................................................................................................... 52
2.3.2. b L)ecoupage tratn\~ersal .............................................................................................................. 52
.....................................................
2.4 SURVEILLANCE ET EVALUATION DE LA QUALITE DES EAUX C~TIERES 52
2.4.1 L'eau. au centre de la problématique de la qualité du milieu littoral ............................................. 52
2.4.2 Thèmes les plus surveillés ............................................................................................................ 54
2.4.3
2.4.4
Réseaux de surveillance .............................................................................................................. 55
. .
Définition des indicateurs de qualite .............................................................................................. 57
...................................
2.5 UN RÉFERENTTEL GEOGRAPHIQUE ....................................................................... . .
2.5.1 Mode vectoriel ou mode matriciel '? ...............................................................................................
60
60
2.5.2 Source et échelle des données .................. . ....... . .................................................................... 61
2.5.3 Critères de qualité .......................................................................................................................... 63
2.6 BEAN ET CONSTAT DU CHAPITRE ............................................................................................................ 65
DEUXIEME PARTIE : APPORT DES SIG POUR L'EVALUATION
DE LA QUALITE DE EAUX COTIERES (CADRE COLOMBIEN)
CHAPITRE 3 GIZC ET SIG EN COLOMBIE ........................................................... 67
....................................................................................
3.2 LA GESTION DES ZONES CÔTIÈRES EN COLOMBIE
68
3.2.1 Définition et délimitation de la zone côtière colombienne .......................................................... 68
3.2.2
3.2.3
3.2.4
Généralités et problèmes ......................... . ............................................................................. 71
. . .
Contexte institutionnel .................................................................................................................. 73
. .
Pnncipes adoptés ........................................................................................................................ 74
3.2.5 Objectifs formulés et situation actuelle ........................................................................................... 75
3.3 LE SUM DE LA QUALITE DES EAUX CÔTIÈRES COLOMBIENNES ................................................................ 76
3.3.1 Institut de Recherches Côtières et Marines (INVEMAR) ................................................................ 77
3.3.2 Centre de Recherches Océanographiques et Hydrographiques (CIOH} ..................................... 7 9
3.3.3 Apports des SIG ....................................................................................................................... 81
.............................................................................
3.4 L'IMBRICATION ENTRE GIZC ET SIG EN COLOMBIE 82
3.4.1 Etat des lieux des applications SIG ................... . ........................................................................ 83
3.4.2 Evaluation des attentes relatives au service des SIG ................ . ............................................. 85
3.4.2. a Dorvlées .................................................................................................................................... 85
3.4.2.6 Logiciels SIG ............................................................................................................................ 87
3.4.2. c Utilisaleurs et orgatiisatiota ..................................................................................................... 87
3.4.2. d Architec~ure SIG ....................................................................................................................... 88
CHAPITRE 4 APPROCHE SPATIALE: PAR DÉCOUPAGE DU LITTORAL CARAIlBE
COLOMBIEN .................................................................................. 91
4.2 LES MÉTHODES ALTERNATIVES DU ZONAGE ............................................................................................ 92
4.2.1 La problématique ....................................................................................................................... 92
4.2.1.a Approche objectise .................................................................................................................... 93

42.1. b Approche subjective ................................................................................................................. 97
4.2.I.c Approche "mixte " ...................................................................................................................... 99
4.3 LE DECOUPAGE DU LiTïORAL CARA~BE COLOMBEN ............................................................................. 102
4.3.1 Inventaire des cas de zonage de la zone côtière colombienne ..................................................... 103
4.3.2 Evaluation des attentes relatives .................................................................................................. 106
4.3.2.a Vis-à-vis du découpage du littoral colombien .......................................................................... 106
4.3.2. b Vis-à-vis di1 service des SIG ................................................................................................... 107
4.4 PROPOSITION DE DECOUPAGE .............................................................................................................. 107
4.4.1 Evaluation des variables .......................................................................................................... 108
4.4.I.a Limite lo~zgititudi~zale marine ................................................................................................... 109
4.4.1. b Limite Iongitzrdinale terrestre .................................................................................................. 1 IO
4.4.1.c Limites transversales ............................................................................................................. 110
4.4.2 Variables retenues ...................................................................................................................... 111
4.4.3
4.4.4
Des apports des SIG ................. .... ......................................................................................... 111
. .
Validation par des experts ......................................................................................................... 112
4.4.5 Présentation des unités définies ............ ...... ......................................................................... 114
4.4.6 L'échelle cartographique ............................ . .......................................................................... 118
4.4.6.a La tiotiotz de polygo~ze coniplexe ............................................................................................. 119
4.4.6. b Niveau de délail 121
.....................................................................................................................
4.5 UNE BASE DE DONNEES GEOGRAPHIQUES .............................................................................................. 123
4.6 BILAN DU CHAPiTRE ........................................................................................................................... 125
CHAPITRE 5 MÉTHODOLOGIE ET STRUCTURE D'UNE BASE DE DONNÉES POUR
LA QUALIFICATION DE LA QUALITÉ DES EAUX CÔTIÈRES (CADRE
5.1 INTRODUCTION ................................................................................................................................. 127
5.2 LA METHODOLOGIE D'ÉVALUATION DE LA QUALITE DES EAUX CÔTIERES .............................................. 128
5.2.1 Choix de paramètres .................................................................................................................... 128
5.2.I.a Travail de I'INVWK ............................................................................................................ 129
5.2.1. b Notre apport ........................................................................................................................... 131
5.2.2 Choix des données .................................................................................................................... 132
5.2.3 Traitement des données ............................................................................................................... 132
5.3 LA STRUCTURE DE LA BASE DE DONNEES ............................................................................................... 138
5.3.1 Modélisation conceptuelle des données ........................................................................................ 138
5.3.1.a Campagne d'évalimtion ........................................................................................................... 139
5.3.1.6 Sites de prélèvement ................................................................................................................ 130
5.3.I.c Prélèvements ........................................................................................................................... 141
5.3.1.d Résultats ................................................................................................................................. 142
5.3.1. e Normes ................................................................................................................................... 143
5.4 BILAN ET CONSTAT DU CHAPITRE .......................................................................................................... 143
CHAPITRE 6 ESTIMATION ET INTERPOLATION SPATIALE APPROCHE
GEOSTATISTIQUE ....................................................................... 147
6.2 CONCEPTS ET MÉTHODES D'UNE ÉTUDE GEOSTATISTIQUE ..................................................................... 149
6.2.1 Les données spatiales ................................................................................................................... 149
6.2.2
6.2.3
L'interpolation de données géostatistiques ..................................................................................
. .
Les SIG et la statistique spatiale ...................................................................................................
149
150
6.2.4 Notations .............................................................................................................................
152
6.3 ANALYSE
153
6.3.1
6.3.2
Présentation des données CGSM ................................................................................................
. . .
Analyse descriptive univariee .................................................................................................
153
154
EXPLORATOIRE DES DONNÉES GEOSTATISTIQUES ..................................................................

. . . . .
. . . . .
6.3.3 Analyse descriptive bivariee ................................................................................................. 156
6.3.4 Analyse descriptive multivariee ................................................................................................ 157
6.4 ANALYSE QUANTlTATlVE DES DONNÉES GÉOSTATISTIQUEIS .................................................................... 159
6.4.1
6.4.2
6.42. a
6.4.2. b
Introduction .......................................................................................................................... 1 5 9
. .
Approche déterministe ................................................................................................................. 160
Estimatioiz globale .................................................................................................................. 160
Estimation locale ................................................................................................................. 161
6.4.3
6.4.3.a
Approche stochastique ............................................................................................................ 163
Variable et fotzctioiz aléatoire .................................................................................................. 164
6.4.3. b Inférence statistiq~re ................................................................................................................ 166
6.4.3. c L'hypothèse de statiotinarité du secoild ordre ......................................................................... 166
6.4.3.d L'hypothèse iiltrii?sèque ....................................................................................................... 168
6.4.4 Analyse variographique ......................... . ........................................................................... 168
6.4.4.a Ailaiyse exploratoiru! ............................................................................................................... 169
6.4.46 La carte variographique ........................................................................................................ 170
6.4.5 Analyse et modélisation de la variabilité spatiale ...................................................................... 173
6.6 PRESENTATION DES RESULTATS A TRAVERS UN SIG .............................................................................. 178
6.6.1 Apport du SIG à l'analyse topologique des mesures ................................................................... 178
6.6.2 Préparation des cartes du degré de concentration d'une variable ................................................ 180
. . ...
6.6.3 Logiciels utilises ................... . ............................................................................................. 181
6.7 BILAN ET CONSTAT DU CHAPITRE .......................................................................................................... 181
TROISIEME PARTIE : MISE EN (EUVIQE D'UN PROTOTYPE SIG
CHAPITRE 7 SIGMAC : ~ J N PROTOTYPE SIG D'AIDE A LA SURVEILLANCE ET
A L'ÉVALUATION DE LA QUALITE DES EAUX CÔTIÈRES (CADRE
COLOMBIEN) ............................................................................... 185
7.2 CONCEPTION D'UN PROTOTYPE ............................................................................................................ 186
7.2.1 Développement théorique ....................................................................................................... 186
7.2.1. a Phse d'analyse des besoins .................................................................................................... 186
7.2.1. b Phase de corzceptioti et de modélisatiotz d~r sy.stèrne. ................................................................ 188
7.2.1. c Phase d'analyse fotzctiorztzelle .................................................................................................. 188
7.2.2 Développement technique ............................................................................................................ 189
7.2.2.a Contexte .................................................................................................................................. 189
7.2.2.6 Choix des logiciels .................................................................................................................. 190
7.2.2. c Architecture et inq>lérnentatiotz ............................................................................................... 191
7.3 PRÉSENTATION DE CAS D'APPLICATION D'ANALYSE SPATIALE ............................................................... 196
7.3.1 Présentation de la distribution spatiale .............................. . ................................................. 196
7.3.2 Analyse visuelle ........................................................................................................................... 197
7.3.3 Exploration visuelle de la distribution spatiale ............................................................................. 199
7.3.4 Gestion de l'information élaborée ................................................................................................. 200
7.3.5 Préparation des cartes du degré de contamination ........................................................................ 202
7.4 BILAN DU CHAP~TRE .............................................................................................................................. 203
CHAPITRE 8 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES ............................................... 207
Bibliographie ................................................................................................. 2 15
Annexes .......................................................................................................... 1
Aperçu biographique