L’accessibilité des villes et de leurs arrière-pays au Mozambique par les zones isochrones | Sciences, technologies et visualisations

L’accessibilité des villes et de leurs arrière-pays au Mozambique par les zones isochrones

L'objet de cet article est de construire une représentation cartographique (zones isochrones) des temps de parcours pour les transports routiers (de fret) à partir des 13 principales villes au Mozambique.

Les drive time areas sont des zones de chalandise qui présentent des temps de trajet où des distances de trajet identiques par la représentation de polygones isochrones. L’analyse présentée ici s’intéresse aux temps de trajets. Les isochrones sont des surfaces délimitées par des isolignes (telles que le sont les zones de pressions en météorologie ou les courbes de niveau pour l’altitude pour les cartes topographiques). Construire ces drive time areas nécessite de parcourir l’ensemble des routes du Mozambique ainsi que des pays limitrophes pour déterminer les temps de parcours à partir d’une ou plusieurs villes centres (villes de départ).

Finale Map

1 / Construction du réseau routier

Les données initiales collectées sont issues de la source Open Street Map (www.openstreetmap.org). Open Street Map (OSM) est un projet qui a pour but de constituer une base de données géographique libre du monde. OSM est alimenté par l'intervention et la collaboration de tout utilisateur volontaire aidé par l'utilisation de moyens informatiques basés sur Internet.
Afin de permettre la compréhension des parcours en dehors des frontières du Mozambique, y compris éventuellement pour rejoindre deux lieux au Mozambique, le réseau routier est construit avec les pays suivant :

  • Botswana (BW) : 78 502 portions des routes de tout type répertoriées
  • Congo Democratic Republic (CD) : 197 038 portions des routes de tout type répertoriées
  • Lesotho (LS) : 79 763 portions des routes de tout type répertoriées
  • Malawi (MW) : 85 159 portions des routes de tout type répertoriées
  • Mozambique : 157 368 portions des routes de tout type répertoriées
  • South-africa (ZA) : 502 417 portions des routes de tout type répertoriées
  • Swaziland (SZ) : 22 274 portions des routes de tout type répertoriées
  • Tanzania (TZ) : 166 555 portions des routes de tout type répertoriées
  • Zambia (ZM) : 53 923 portions des routes de tout type répertoriées
  • Zimbabwe (ZW) : 82 394 portions des routes de tout type répertoriées

Ces informations sont extraites d’OSM quotidiennement, pour bénéficier des derniers ajouts des utilisateurs, par Geofabrik (http://download.geofabrik.de/africa.html) qui prépare également des shapefile (fond de cartes) avec l’ensemble des informations nécessaires à leur utilisation dans une analyse conduite par un système d’information géographique (SIG). La réunion de ces informations représente 1 425 393 sections de route.

Les routes collectées contiennent une série d’attributs (annexe 1) qui permettent de préciser le modèle. Nous utilisons ici principalement les attributs suivant :

  • fclass : utile pour isoler les voies piétonnes (bridleway, cycleway, footway, path, steps, pedestrian), ainsi que pour distinguer les routes carrossables (motorway, trunk, primary et secondary) des pistes et chemins (tertiary, residential, living_street, service, track, unknown).
  • ref : le numéro de référence pour la route, lorsqu’elle en a un. Cette valeur, bien que ne couvrant qu’à peine 2,63 %, est essentielle pour identifier les autoroutes et les voies rapides, qui sont des corridors rapides, en particulier pour le fret. Comme à l’échelle nationale ces routes sont très peu nombreuses en proportion et représentent des axes stratégiques, les autoroutes et voies rapides sont bien renseignées dans l’attribut ref. Cette information contient soit le code, soit le nom de la route (e.g. autoroute « A7 » ou « autoroute du soleil »).
  • maxspeed : la vitesse maximale autorisée, connue et renseignée, pour la portion de route concernée. Cette information est très peu renseignée (2.46%), elle est néanmoins utilisée comme une information de base pour calculer les distances-parcours et pour vérifier le modèle.
  • oneway : indique si un des sens de circulation d’une portion de route est restreint.

2 / Définition du modèle

géographie des transports - méthodes

Fig 1 : Modèles dans la géographie des transports

Le schéma ci-dessus (Geography of transport systems, Jean-Paul Rodrigue et al., 3rd édition, 2013) définit les différentes méthodes en géographie des transports, de la plus simple à la plus complexe, à la fois dans la collecte des données relatives à chacun des niveaux, mais aussi la complexité des réseaux mobilisés. Les auteurs définissent les quatre empilements de la façon suivante :
Each [level is built] upon the other, implying for instance that the estimation of accessibility cannot be assessed without information about distance and that spatial interactions are derived from accessibility assessments:

  • Distance. The most fundamental element of geography in general and transport geography in particular. Distance can be represented in different manners, from a simple Euclidean distance calculation to a complex estimation of a logistical distance that considers all the tasks necessary for the realization of a movement.
  • Accessibility. Defined as the measure of the capacity of a location to be reached by, or to reach different locations. Therefore, the capacity and the arrangement of transport infrastructure are key elements in the determination of accessibility. It is thus based upon the concept of location and distance.
  • Spatial Interaction. A realized movement of people, freight or information between an origin and a destination. It is a transport demand / supply relationship expressed over a geographical space. Routing is a specific category of spatial interaction that considers a given set of origins and destination for which specific (often optimal) routes are found.
  • Transportation / Land Use Models. A complex framework trying to assess the numerous relations and feedback effects between transportation and the spatial structure.

Dans le cas de cette première analyse, nous nous situons au niveau des questions d’accessibilité.
Les informations collectées précédemment lors de la construction du réseau initial, bien que nécessaires, ne sont pas suffisantes pour définir le modèle. Plusieurs problèmes sont à noter :

  • Les autoroutes se trouvent dans plusieurs catégories (motorway, trunk, primary), catégories qui rassemblent aussi des routes de bien moindre qualité (routes nationales et régionales, routes périphériques autour des villes), et surtout des routes où la vitesse moyenne de circulation est bien inférieure à celle des autoroutes et voies rapides.
  • Le code pays est absent, ne permettant pas de sélectionner le type de route par rapport à une numérotation cohérente au niveau nationale mais hétérogène entre les pays : N01 ou M01 peuvent vouloir dire autoroutes dans certains pays, ou nationales et rocades dans d’autres.
  • Il faut exclure les routes où camions et voitures ne peuvent pas circuler.
  • Il manque pour plus de 97% des portions de route une information permettant d’estimer des temps pour les parcours (temps pour parcourir une distance).

2.1 / Catégoriser les réseaux de routes

A partir de la typologie des routes en 40 classes (fclass, cf annexe 1) définie par OSM, nous avons donc ventilé ces classes en quatre catégories de routes (roadstype) :

  • La classe « hightway » qui s’appuie sur les critères suivants : 1- les fclass motorway (et motorway_link), 2-toutes les routes dont la vitesse maximale autorisée est supérieure à 100 km/h (pour le 2.46% avec maxspeed rempli), 3- toutes les routes dont le code de moins de 4 caractères (ref) débute par N, T, TZ pour la Tanzania, M à l’exception de South-africa ou enfin A.
  • La classe « secondary » qui s’appuie sur les fclass suivantes : trunk (et trunk_link) et primary (et primary_link) et secondary (et secondary_link).
  • Les chemins et passages interdits aux véhicules. Nommée « non_for_car » elle regroupe les fclass suivantes : bridleway,  cycleway, footway, path, steps, pedestrian, track_grade4 et track_grade5 (OSM tracktype).
  • La classe « local » ressemblant toutes les autres fclass.

Categorie des routes

Tab 1 : catégories (roadstype) du modèle

Les lignes bleues sont les classes fclass d’OSM utilisées pour construire les catégories (colonne roadstype) du modèle. La construction de la classe highway a été plus fine : les codes de noms de routes ont été utilisés pour inclure les routes correspondant aux motifs identifiés, et exclure celles qui ne correspondent pas. On note que dans la catégorie « highway » la sélection par les codes a permis d’ajouter un nombre important d’autoroutes ou de voies rapides selon la codification nationale utilisée, même si ces routes n’étaient pas classées dans les fclass « motorway » ou « motorway_link ». Le fait de ne pas utiliser de la catégorie fclass « primary » d’OSM dans notre classe « Highway » a un impact important pour la classe roadstype « secondary » du modèle : cette stratégie a permet de reclasser des routes notées trunk ou primary (importantes donc selon les fclass d’OSM) qui ne participaient en fait pas au système national d’autoroutes ou de voies rapides. Ces routes ont donc été reclassées par exclusion dans notre catégorie roadstype « secondary ». Malgré tout, même s’il s’agit de très faibles distances cumulées et marginales, on peut noter du bruit dans la catégorie « highway » (e.g. les fclass OSM  service ou residential, mais comptant au total moins de 20 km).

2.2 / Définition des vitesses moyennes de circulation

La seconde étape vise à permettre au modèle de calculer des temps de parcours en fonction des types de route qu’un conducteur pourrait emprunter entre deux villes. Pour cela, il faut attribuer à chacune des catégories précédemment construites une vitesse moyenne, et attribuer cette valeur à chacune de ses portions (Nombre de routes dans la Tab 2). Cela peut être fait soit à partir du type de route (combinaison de roadstype et de fclass), soit directement à partir de l’information fournie par OSM (maxspeed). Cette dernière valeur est en fait la limite de circulation autorisée, et donc une vitesse rarement atteinte. Donc, pour que la vitesse moyenne (maxspeed) corresponde d’avantage à une vitesse de circulation proche de la réalité, elle a été systématiquement réduite : de 20 entre de 30 à 40 km/h, de 30 entre 50 et 70 km/h, et de 40 à partir de 80 km/h.

Speed mean

Tab 2 : catégories et vitesses moyennes de circulation

Les lignes bleues du tableau sont les valeurs de vitesses moyennes définies pour le modèle. En proportion, elles représentent la majeure partie des km de routes. Néanmoins, les autres valeurs nous renseignent sur les vitesses maximales indiquées par OSM.

Pour la catégorie « highway », 80 km/h en moyenne correspondant à 120 k/m en maxspeed indiqué par OSM. C’est la seconde valeur en proportion. On peut noter que pour une très faible proportion de route (un peu plus de 0.07%), la vitesse est très réduite (entre 10 et 40 km/h soit une vitesse maximale autorisée indiquée par OSM de 50 à 80 km/h). Cela vient de deux facteurs :

  • Des portions ponctuelles de routes indiquées comme étant à vitesse sur des autoroutes et voies rapides.
  • Des résidus négligeables (<0.01%) de la mauvaise affectation de certaines routes par leurs noms tel qu’identifié pour la classe highway dans la Tab 1.

Deux sous classes de vitesse moyenne de circulation ont été ajoutées au modèle pour la catégorie « secondary » :

  • 40 km/h en moyenne pour les fclass OSM : "trunk" et "trunk_link" (Important roads, typically divided) et "primary" et "primary_link" (Primary roads, typically national). Donc pour celles non sélectionnées dans comme participants au réseau national d’autoroutes et de voies rapides.
  • 30 km/h en moyenne pour les fclass OSM : "secondary" et "secondary_link" (Secondary roads, typically regional).

Cette stratégie en plusieurs sous niveaux de vitesse a été poursuivie également pour la classe « local » :

  • 20 km/h en moyenne pour les fclass OSM "tertiary" et "tertiary_link" (Tertiary roads, typically local).
  • 5 km/h en moyenne pour les fclass track_grade3 (dernier niveau pour les track considéré comme circulable).
  • 10 km/h pour toutes les autres routes : "unclassified" (Smaller local roads), "residential" (Roads in residential areas), track_grade1 et track_grade2 (For agricultural use, in forests, etc. Often gravel roads.)…

Enfin la catégorie « non_for_car » rassemble toutes les routes ne pouvant pas a priori accueillir une voiture ou du fret. Ici lorsque l’information de vitesse n’était pas disponible, la vitesse moyenne a été définie comme étant de 5 km/h. L’ensemble des 82 539 km (6.27% du total des km de routes) a été exclu du réseau routier dans les analyses de temps de parcours. Ces informations ne sont pas prises en compte.

2.3 / Modélisation des tournants, croisements et sens uniques

Comme la vitesse moyenne estimée (en fonction des classes de routes précisées par OSM) est utilisée pour mesurer les temps de déplacement d’un véhicule au sein du réseau routier, la modélisation des virages est un point essentiel pour moduler les temps de parcours en fonction de la physionomie des routes parcourues.
Pour ce faire, le modèle s’appuie principalement sur deux informations :

  • L’angle à chaque changement de trajectoire
  • Le type de route traversée (highway, secondary et local)

Turns penalties

Fig 2.1 : pénalités, croisements et tournants

Dans cette figure, les voies locales correspond à nos catégories « primary » et « secondary ». Les voies secondaires correspondent à notre classe « local ». Aussi, nos catégories « primary » et « secondary » se comportent de la même manière, assimilées à locale. Les virages à gauche, ainsi que les croisements de routes (nécessitant de traverser une autre voie), reçoivent les plus fortes pénalités.

Turns angles

Fig 2.2 : angles des tournants

Pour simuler les stratégies de navigation des conducteurs, une seconde information peut être utilisée. Il s’agit des valeurs associées à la variable oneway, qui indique si une portion de route a une restriction de son sens de circulation. B si la circulation dans les deux sens est autorisée, F lorsque seul le sens aller est autorisé, et T lorsque seul le sens retour est autorisé (plus rare, car c’est lorsque la personne ayant saisi la route était elle-même dans le sens inverse de la circulation).

Oneway roads

Fig 3.1 : sens uniques en fonction des types de routes

Oneway roads Maputo

Fig 3.2 : exemple à Maputo (B en gris, F en rouge et T en bleu)

La modélisation des sens de circulation impacte plus particulièrement les temps de parcours aux niveaux des sorties de villes, et contraint certains comportements sur les voies rapides (empêchant par exemple le demi-tour).

3 / Villes centres et application du modèle

En partant du modèle constuit pour le réseau de routes, leurs types et les vitesses moyennes associées, la simulation des parcours des véhicules transportant du fret ainsi que la cartogrpahie des résultats sont effectuées avec ArcGis (Network Analysis).

Le temps nécessaire pour parcourir un segment de route est calculé par la longueur en Km de ce segment multipliée par la vitesse moyenne pour ce segment tel que précédemment défini. Cette opération est généralisée pour l’ensemble des 1 214 301 segments (sans les segments « non_for_car »).

Comme points de départs de l’analyse, nous sélectionnons l’ensemble des villes ayant plus de 100 000 habitants (au niveau du découpage administratif de la municipalité). Ainsi Maputo et sa plus grande banlieue, Matola, sont toutes deux sélectionnées, et forment une ébauche de système urbain.
Ces villes représentent un peu moins de 20% de la population totale du pays (22 061 451 habitants, GeoNames, 2016).
A des fins de lisibilité, la carte finale en annexe 4 ne représente que le réseau routier des « highway ». L’annexe 2 détaille l’ensemble des routes « highway » et « secondary », l’annexe 3 les routes « local ».

Selection of the 13 core cities

Tab 3 : sélection des 13 villes-centres (GeoNames, 2016)

L’analyse cherche dans un premier temps la route la plus proche dans un rayon de 4 km. A partir de cette première position, l’analyse parcours une à une les routes et calcule les temps de parcours comme si des conducteurs parcouraient l’ensemble des itinéraires possibles. Plus le conducteur s’éloigne de son point de départ (l’une des villes de départ sélectionnées), plus le temps de parcours s’allonge, en fonction des vitesses moyennes indiquées sur les tronçons qu’il parcourt et des virages et croisement modélisés.

Les principaux lacs ont été ajoutés comme étant des barrières infranchissables par le modèle. Un second obstacle est ajouté, il s’agit des frontières : elles représentent une pénalité de 4 heures.

Les zones de chalandise sont calculées sur la base de temps de parcours dont on est libre de préciser les bornes. Nous avons choisi  2, 4, 6 heures.

Time between Maputo Beira-Chimoio

Fig 4 : Temps de parcours entre Maputo et Beira-Chimoio (illustration)

En prenant l’exemple des trois zones de chalandise entre les villes de Maputo et celles de Beira et Chimoio, les zones de chalandises se touchant au niveau de la zone de jonction des deux temps de parcours, c’est-à-dire a respectivement moins de 6 heures des trois villes, les trois zones de chalandise ont fusionnées : elles se rejoignent. Ainsi pour apprécier visuellement le temps nécessaires pour rejoindre, par exemple, Maputo et Chimoio, il faut ajouter les deux aires de chalandise, soit entre 8 (2*4h) et 12 heures (2*6 heures).

Potentiellement, avec les trois classes de routes (highway, secondary et local), l’ensemble des points d’un territoire peut être atteint de n’importe quel autre point. Il faut donc trouver les bons seuils pour rendre compte d’une configuration spécifique qui fait sens localement, par rapport à une structure particulière d’un réseau de routes, tout en permettant au lecteur de la carte d’en comprendre la structure (temps de parcours entre les centres urbains et zones marginalisées par le réseau de routes). A tire d’exemple, si on ajoute un dernier seuil à 8 heures à partir des 9 villes, l’ensemble du territoire mozambicain est couvert et, donc parfois avec 16 heures de route (2*8 heures). Il y a un effet de basculement assez courant dans ce type de réseau, où en changeant d’un peu le seuil d’un côté on arrive à en comprendre la structure, et de l’autre tout semble liée.

4 / Validation et principaux résultats

La validation des temps de parcours est effectuée à partir d'un document rassemblant quelques temps de parcours entre cinq villes desservies par un transporteur Mozambicain. Une validation plus systématique (sur un plus grand nombre de dessertes) serait nécessaire pour confronter le modèle à la réalité.

Voir la carte finale en annexe 4 ou en pdf.

5 / Points de discussion

  • Réaffecter les fclass ayant peuplées la classe « highway » sur la base d’une sélection avec le code (ref).
  • Il est possible d’ajouter des obstacles (reliefs, lac… ou de nature anthropique comme une zone industrielle ou un pont) que le modèle prend en compte dans le calcul des zones de chalandise. Ainsi, il serait envisageables d’ajouter les fleuves et rivières comme étant des obstacles ralentissant les conducteurs.
  • Il apparait que pour le Mozambique le réseau routier de la catégorie « secondary » (annexe 2) est relativement moins dense que la plupart de ceux des pays limitrophes. Si cela n’est pas le reflet d’une réalité (avec, par exemple, un nombre trop important de routes de niveau « secondary » classées dans le niveau « tertiaire » et plus bas par OSM), cela pourrait rendre délicate une approche comparative avec des pays limitrophes.

 

Annexe 1 / Geofabrik OSM Standard, OpenStreetMap Data in Layered GIS Format (Version 0.6.7)

Annexe 1

Annexe 1

Annexe 2 / Carte des réseaux routiers « highway » et « secondary »

highway secondary roads

Annexe 3 / Carte des réseaux routiers « local »

local roads

Annexe 4 / Télécharger la carte finale (v15) des temps de parcours

Finale Map

Annexe 5 / Ressources et scripts utilisés avec ArcGis 10.2 (Network Analysis)

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' pre logic VBScript roadstype (text): building roads types 
If [fclass] = "motorway" OR [fclass] = "motorway_link" OR (Left([ref],1) = "N" AND Len([ref]) <= 4) OR (Len([ref]) <= 4 AND ((Left([ref],1) = "T" AND ([ctry_code] = "TZ" OR [ctry_code] = "ZM")) OR (Left([ref],1) = "M" AND [ctry_code] <> "ZA"))) OR (Len([ref]) <= 3 AND Left([ref],1) = "A") OR [maxspeed] >= 100 Then 
typ = "highway"
ElseIf [fclass] = "trunk" OR [fclass] = "trunk_link" OR [fclass] = "primary" OR [fclass] = "primary_link" OR [fclass] = "secondary" OR [fclass] = "secondary_link" Then 
typ = "secondary"
ElseIf [fclass] = "bridleway" OR [fclass] = "cycleway" OR [fclass] = "footway" OR [fclass] = "path" OR [fclass] = "steps" OR [fclass] = "pedestrian"  OR [fclass] = "track_grade4" OR [fclass] = "track_grade5" Then 
typ = "non_for_car"
Else typ = "local"
End If

 

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'pre logic VBScript roadsclass (entier court):  building roads classes
If [fclass] = "motorway" OR [fclass] = "motorway_link" OR (Left([ref],1) = "N" AND Len([ref]) <= 4) OR (Len([ref]) <= 4 AND ((Left([ref],1) = "T" AND ([ctry_code] = "TZ" OR [ctry_code] = "ZM")) OR (Left([ref],1) = "M" AND [ctry_code] <> "ZA"))) OR (Len([ref]) <= 3 AND Left([ref],1) = "A") OR [maxspeed] >= 100 Then 
typ = 1
ElseIf [fclass] = "trunk" OR [fclass] = "trunk_link" OR [fclass] = "primary" OR [fclass] = "primary_link" OR [fclass] = "secondary" OR [fclass] = "secondary_link" Then 
typ = 2
ElseIf [fclass] = "bridleway" OR [fclass] = "cycleway" OR [fclass] = "footway" OR [fclass] = "path" OR [fclass] = "steps" OR [fclass] = "pedestrian" OR [fclass] = "track_grade4" OR [fclass] = "track_grade5" Then 
typ = 4
Else typ = 3
End If

 

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'pre logic VBScript moyspeed (entier court):defining roads speed 
If [maxspeed] >= 30 AND [maxspeed] < 50 Then
typ = [maxspeed] - 20
ElseIf [maxspeed] >= 50 AND [maxspeed] < 80 Then
typ = [maxspeed] - 30
ElseIf [maxspeed] >= 80 Then
typ = [maxspeed] - 40
ElseIf [fclass] = "motorway" OR [fclass] = "motorway_link" OR (Left([ref],1) = "N" AND Len([ref]) <= 4) OR (Len([ref]) <= 4 AND ((Left([ref],1) = "T" AND ([ctry_code] = "TZ" OR [ctry_code] = "ZM")) OR (Left([ref],1) = "M" AND [ctry_code] <> "ZA"))) OR (Len([ref]) <= 3 AND Left([ref],1) = "A") Then
typ = 70
ElseIf [fclass] = "trunk" OR [fclass] = "trunk_link" OR [fclass] = "primary" OR [fclass] = "primary_link" Then 
typ = 40
ElseIf [fclass] = "secondary" OR [fclass] = "secondary_link" Then 
typ = 30
ElseIf [fclass] = "tertiary" OR [fclass] = "tertiary_link" Then 
typ = 20
ElseIf [fclass] = "bridleway" OR [fclass] = "cycleway" OR [fclass] = "footway" OR [fclass] = "path" OR [fclass] = "steps" OR [fclass] = "pedestrian" OR [fclass] = "track_grade3" OR [fclass] = "track_grade4" OR [fclass] = "track_grade5" Then 
typ = 5
Else typ = 10
End If

 

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# Ditance for each road section in Km (python)
(reel double) dist_km =
!Shape.length! * 100
# Time (hour) needed for each road section (python)
(reel double) time_h =
( !Shape.length! * 100 ) / !moyspeed!
# Time (second) needed for each road section (python)
(reel double) time_s =
!time_h! * 60 * 60

 

Isochrones Mozambique
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L'objet de cet article est de construire une représentation cartographique (zones isochrones) des temps de parcours pour les transports routiers (de fret) à partir des 13 principales villes au Mozambique. Les drive time areas sont des zones de chalandise qui présentent des temps de trajet où des distances de trajet identiques par la représentation de polygones isochrones.
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