WPS Bassin Versant: un outil de modélisation hydrologique intégré à une infrastructure de données spatiales
Introduction
Le développement des solutions de géomatique web permet la diffusion des données géographiques et des outils d’analyse spatiale en temps réel auprès des publics concernés. De nombreux outils conceptuels et logiciels ont été récemment développés dans ce domaine, y compris dans celui de la modélisation hydrologique (Feng et al., 2011; Castronova et al., 2013). Or trop souvent encore, ces outils ne s’intègrent qu’imparfaitement les uns aux autres ou font un usage limité ou partiel des possibilités offertes par les standards actuels.
Il est donc primordial d’améliorer l’interopérabilité des systèmes et des outils pour offrir aux utilisateurs une infrastructure de données géographiques permettant:
- l’accès aux données sur le territoire;
- l’appropriation et l’utilisation d’outils d’analyse et de modèles par des utilisateurs, techniciens ou non.
Nous présentons ici une intégration de fonctions devant faciliter la gestion de la ressource en eau, à l’architecture de données spatiales (ADS) geOrchestra (2009). Nous illustrons cette approche par l’exemple du calcul des contours topographiques des bassins versants.
Partager les données et les outils
Les contextes technique et législatif sont en faveur du partage des données et des outils:
- directive INSPIRE (2007): disponibilité et accessibilité de la donnée publique;
- Open Data et service public de la donnée, au niveau national (DGF, 2011), mais aussi international et local (DC, 2013);
- Open Geospatial Consortium, pour l’interopérabilité des systèmes et l’échange des flux (OGC, 1994).
S’ajoutent d’autres critères qui plaident en ce sens:
- l’ouverture (logiciel libre, données et outils ouverts);
- l’interopérabilité (OGC, développement inclusif);
- la modularité (conception par briques logicielles substituables, déploiement à la carte);
- l’évolutivité (intégration facile des innovations et mises à jour: par exemple services de processus pour la publication élargie d'outils, de méthodes et de modèles).
On peut aussi ajouter la volonté du laboratoire SAS à Rennes de valoriser et de partager le plus largement possible l’expertise accumulée en recherche et modélisation hydrographique, et de faciliter l’accès aux outils développés en interne.
Publics visés
Les publics intéressés par la mise à disposition d’outils hydrologiques sont variés:
- les chercheurs: modélisation hydrologique et des transferts des polluants, meilleure compréhension du cycle de l’eau;
- les gestionnaires de l’eau: institutions (publiques nationales, collectivités locales et commissions locales de l'eau, etc.) qui ont pour missions le suivi de qualité et de la disponibilité de la ressource en eau;
- le grand public: vulgarisation, partage des connaissances, conformément à la convention d’Aarhus (UNECE, 1998).
Technologie
Nos choix technologiques sont les suivants:
- geOrchestra. Nous utilisons l’architecture de données spatiales (ADS), Open Source geOrchestra (2009) (instanciée en l’infrastructure de données géographiques (IDG) GéoSAS, 2010) qui s'appuie sur trois modules principaux:
- Geonetwork (catalogue);
- Geoserver (serveur cartographique);
- Mapfishapp (visualiseur intégrant OpenLayers, GeoExt, ExtJS). - Web Processing Service. Nous étendons les fonctionnalités de geOrchestra en utilisant la norme WPS (OGC WPS standard, 2007; GéoSAS, 2013a), laquelle précise les modalités des entrées/sorties entre clients et serveurs web pour les outils et modèles appliqués aux données géoréférencées.
- MNTSurf. Les fonctions mises en WPS ont leur origine dans le logiciel MNTSurf (Squividant, 1994; Aurousseau, Squividant, 1996, 1997; GéoSAS 2013b), développé au laboratoire SAS, dédié aux traitements sur les modèles numériques de terrain. MNTSurf comporte en particulier des fonctions de calcul du contour du bassin versant à l’amont d’un point donné comme exutoire (par définition tout écoulement de surface dans le bassin versant converge vers cet exutoire). MNTSurf est à la base de nombreuses recherches au laboratoire SAS (Beaujouan et al. 2001, 2002; Mérot et al. 2003; Tortrat et al., 2004; CSEB 2008).
L’originalité de l’outil proposé consiste en l’intégration de traitements WPS à geOrchestra. Chaque fonction de MNTSurf pouvant être conçue comme un WPS, le fonctionnement du WPS bassin versant (BV) présenté ici pourra être généralisé à l’ensemble des fonctions MNTSurf.
Outre le fait de simplifier l’accès au calcul des bassins versants (simple clic dans un navigateur), l’intégration du WPS BV à une l’infrastructure de données géographiques sous la forme d’une extension (addon) permet de rendre les données en entrée et sortie interopérables.
La figure 1 résume les différents types de flux entre les modules, ainsi que les solutions logicielles utilisées.
| 1. Schéma fonctionnel synthétique de l’architecture intégrant l’addon et le WPS BV |
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Fonctionnement
Paramétrage. L’addon WPS BV est paramétrable via le menu «Bassin Versant/ Paramètres». Il est ainsi possible de modifier le MNT utilisé en entrée du calcul, la superficie minimum des BV calculés, le mode de lissage des contours de la couche produite, le zoom automatique ou non sur la couche produite.
Exécution. L’addon WPS BV se lance à partir du menu «Bassin Versant» accessible via la barre d’outils du visualiseur. Il accepte quatre types d’entrées distinctes:
- un clic souris en tout point de la carte;
- une sélection d’objets dans une couche WMS diffusée par un serveur OGC tiers;
- une référence à une couche WMS (dans ce cas, les données transitent uniquement entre le serveur OGC et le serveur de WPS);
- un fichier au format GML importé dans le visualiseur à partir du poste de l’utilisateur.
Résultat. Une fois calculée, la couche produite par le WPS BV est automatiquement déposée sur un serveur OGC dédié puis est ajoutée comme une couche WMS à la liste des couches disponibles. De ce fait, elle bénéficie des fonctionnalités OGC du visualiseur comme l’affichage (WMS), le téléchargement au format SHAPE (WFS), les requêtes spatiales ou attributaires (WMS/WFS), la création de style (SLD), la sauvegarde de contexte (WMC), etc.
Le menu de l’addon comporte une aide (GéoSAS, 2013c) qui en détaille plus complètement le fonctionnement et précise la succession des flux OGC correspondant. La fiche de métadonnées de service correspondante peut aussi être affichée et consultée (GéoSAS, 2013d).
Exemple
| 2. L’addon BV et le résultat du WPS BV dans le visualiseur |
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La figure 2 illustre l’utilisation de l’addon et du WPS BV dans l’interface, disponible sur le site GéoSAS (GéoSAS, 2013e). Plusieurs couches de données y sont chargées (WMS) et visibles: fond OpenStreetMap, stations hydrographiques de Bretagne. Toutes sont disponibles en flux OGC sur GéoBretagne. Parmi les stations hydrologiques une sélection a été réalisée. La table attributaire de la sélection est visible en bas de l’écran, et les objets correspondant sont surlignés en orange sur la carte. Les stations sélectionnées sont les exutoires de bassins versants de superficie supérieure à 500 hectares (champ «bv» dans la table attributaire associée, visible dans la dernière colonne affichée). On accède ensuite à l’addon BV par le menu déroulant bassin versant, option calcul BV depuis sélection, lequel déclenche la requête WPS. Le résultat, c’est-à-dire les bassins versants ayant pour exutoire les stations de la sélection, est ensuite ajouté sous la forme d'une couche OGC apparaissant en bleu sur la carte et ayant un nom de la forme «bv_date_heure» visible dans la liste des couches disponibles.
Réutilisation
Si la mise à disposition de l’addon BV sur GéoSAS répond en premier lieu à des besoins issus de la communauté scientifique, voire de certains gestionnaires de l’eau, sa diffusion élargie incomberait plus naturellement à des infrastructures de données géographiques généralistes d’intérêt public comme le sont les portails régionaux. C’est ce qui a conduit GéoBretagne (2013) à proposer cet outil au grand public, facilitant au passage sa visibilité auprès de publics plus spécifiques (gestionnaires de l’eau).
Un tel déploiement est transposable sans difficulté particulière sur toute infrastructure de données géographiques de type geOrchestra (c’est le cas de GéoBretagne) et ne nécessiterait qu’un développement d’interface côté client pour les autres IDG aux normes OGC.
Conclusion
Nous avons démontré l’utilisation dynamique d’une fonction d’analyse hydrologique via un navigateur web faisant un usage intensif des standards OGC, par un recours exclusif aux logiciels libres, et tirant avantage d’IDG ouvertes. Cette approche est généralisable à d’autres fonctions et outils d’analyse, suivant le même principe: l’utilisation concomitante de données distantes disponibles sur un serveur cartographique aux normes OGC, d’une part, et de processus d’analyse et/ou de modélisation spatiale accessibles sur un serveur de processus distant lui aussi OGC-compatible d’autre part, afin d’exécuter un traitement spatial (bénéficiant au passage des performances propres du serveur) dont le résultat peut être déposé sur un serveur cartographique OGC tiers et visualisé en temps réel dans le navigateur web client. On effectue ainsi un traitement spatial sur des données délocalisées à l’aide de processus eux aussi délocalisés.
Perspectives
Ces travaux peuvent être étendus à la mise à disposition de l’ensemble des fonctions issues de MNTSurf (dont un certain nombre est déjà disponible en WPS), avec pour effet une accessibilité maximale, en particulier par l’intermédiaire d’addons geOrchestra, mais aussi via tous clients WPS (comme par exemple celui du système d'information géographique QGIS). Il s’agit en particulier de proposer en WPS des outils faisant le lien entre modélisation et mesures en temps réel comme la Macro Flux (Vinson, 2003).
D’autre part, plusieurs addons sont déjà opérationnels, comme celui développé conjointement avec l’UMR LISAH dans le projet de visualisation des données agroenvironnementales (Vidae, 2009, 2013) ou sur la liste des WPS en cours de finalisation.
Enfin, l’usage des WPS n’est pas réservé à l’hydrologie: nous proposons ainsi un addon (et son WPS associé) d’interrogation de bases de données sur la composition des sols (projet Websol) (Chafchafi, Bargeot, 2013) et sa déclinaison pour la Bretagne (SdB, 2013).
La disponibilité future de WPS nombreux et variés rend pertinente la question du chaînage ou séquentialisation des WPS. Cette approche permettra par exemple de construire des traitements complexes (WPS et addon de modélisation) faisant appel de façon ordonnée à ses WPS constitutifs. L’utilisateur pourra ainsi, par exemple, extraire automatiquement la composition des sols sur un bassin versant par simple clic sur son exutoire. C’est pourquoi nous mettons cette problématique au cœur de nos développements futurs.
Bibliographie
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Partage de données et outils
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Directive INSPIRE (2007), http://inspire.jrc.ec.europa.eu/]
DGF (2011). data.gouv.fr: Plateforme française d’ouverture des données publiques. Etalab.gouv.fr (Service du Premier Ministre Chargé de l'Ouverture des Données Publiques). http://www.data.gouv.fr/A-propos
geOrchestra (2009). http://www.georchestra.org/
GéoBretagne (2013). http://geobretagne.fr/
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GéoSAS (2013a). Les WPS en bref, http://tiny.cc/geosas-les-WPS-en-bref
GéoSAS (2013b). Un peu d'histoire – MNTSurf, http://tiny.cc/geosas-MNTSurf
GéoSAS (2013c). Addon et WPS Bassin Versant – Fonctionnement et mode d'emploi, http://tiny.cc/geosas-addon-wpsbv
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OGC (1994). Open Geospatial Consortium. http://www.opengeospatial.org/
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SdB (2013). Sols de Bretagne (Websol Bretagne). http://tiny.cc/geosas-sdb
VIDAE (2009). Visualisation de Données Agro-Environnementales, http://tiny.cc/geosas-vidae2009
VIDAE (2013). http://tiny.cc/vidae2013
Lexique des sigles
- ADS: Architecture de données spatiales
- BV: Bassin versant
- OGC: Open Geospatial Consortium
- IDG: Infrastructure de données géographiques
- SLD: Styled Layer Descriptor
- WFS: Web Feature service
- WMC: Web Map Context
- WMS: Web Map Service
- WPS: Web Processing Service
Lien vers l’application