CATALOGUE DE TECHNIQUES D'ACQUISITION DE DONNEES ...

Ministère de l'Équipement, des Transports et du Logement Centre d'Etudes Techniques, Maritimes Et Fluviales

CATALOGUE DE TECHNIQUES D'ACQUISITION DE DONNEES TOPOMETRIQUES POUR LES ETUDES HYDRAULIQUES

juin 2001

Département, Chaussées, Ponts, Hydraulique

C E N T R E

D ’ E T U D E S

T E C H N I Q U E S

D E

L ’ E Q U I P E M E N T

CATALOGUE DE TECHNIQUES D'ACQUISITION DE DONNEES TOPOMETRIQUES POUR LES ETUDES HYDRAULIQUES

Date : juin 2001 Auteur : DCPH / SH Responsable de l’étude / rédacteur : Annick TEKATLIAN

Résumé : Les Directions Départementales de l’Equipement et les Services de la Navigation sont parfois amenés à élaborer des commandes de données topométriques et bathymétriques destinées à des études hydrauliques. S'agissant d'un domaine technique pas couramment pratiqué, il peut s'avérer problématique d'élaborer des spécifications, de suivre et de réceptionner le travail. Dans le cadre de ses missions d’assistance et de conseil en matière d’études hydrauliques, le Centre d’Etudes Techniques Maritimes et Fluviales assiste les services déconcentrés du ministère de l’Equipement. Pour répondre au besoin énoncé plus haut, il a collaboré avec le CETE Méditerranée pour l'élaboration de ce catalogue. L'objectif est l'assistance à l'élaboration et la réception d'une commande de données en permettant d'évaluer l'ampleur du travail d'acquisition de ces données, l'adéquation de telle ou telle technique à l'objectif, et de suivre et contrôler le travail fourni. La composition de ce manuel est conçue pour fournir les éléments nécessaires à : - l'élaboration d'un budget global préliminaire; - l'élaboration des spécifications techniques; - le choix du devis le mieux disant; - les moyens d'effectuer le suivi et la réception. Il est constitué de fiches techniques résumant le principe, les domaines et limites d'application, le coût, les points relatifs aux spécifications de commande et de suivi des techniques d'acquisition de données topographiques classiques. Ces fiches sont complétées d'annexes techniques un peu plus détaillées et d'un recueil de questions et remarques les plus souvent évoquées lors de la commande de données.

Maître d’Ouvrage : CETMEF

Nombre de pages : 63 pages dont 7 annexes (29 pages)

CETE Méditerranée

Catalogue de techniques d'acquisition de données topométriques

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REMERCIEMENTS Ce catalogue a été enrichi d'échanges avec plusieurs agents du ministère de l'Equipement et d'ailleurs. Nous les en remercions, et en particulier : Gilles TROISPOUX - CERTU / TEC / GEO, pour ses explications sur les systèmes géodésiques et ses remarques sur le contenu de l'annexe A1 Daniel MAGARIAN - SN Seine, pour ses commentaires sur le sondage ultrasonore et l'illustration de la fiche F6 et de la page de garde Pierre SALOMON - LRPC Blois, pour ses commentaires sur le sondage ultrasonore et les levés au DGPS Francis RENAULT - Topo Center et Marie-Noëlle THOMAS - Leica Geosystem, pour les réponses à nos questions et les illustrations des fiches F3 et F4

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SOMMAIRE SOMMAIRE................................................................................................................................ 4 AVANT PROPOS ....................................................................................................................... 5 REMARQUES GLOBALES - QUESTIONS / REPONSES.......................................................... 7 TABLEAU SYNTHETIQUE DES TECHNIQUES DE LEVES .................................................... 19 INTRODUCTION A LA CONSULTATION DES FICHES .......................................................... 20 FICHES TECHNIQUES............................................................................................................ 21 F1 Photogrammétrie............................................................................................................. 23 F2 Scrutation par laser embarqué / ALS .............................................................................. 25 F3 Levés terrestres / Théodolite & Tachéomètre.................................................................. 27 F4 Levés terrestres / GPS - Global Positionning System ..................................................... 29 F5 Bathymétrie par sonde manuelle..................................................................................... 31 F6 Bathymétrie par sondeur ultrasonore .............................................................................. 33 ANNEXES TECHNIQUES........................................................................................................ 34 A1 Système de référence géodésique et système projection ............................................... 35 A2 Photogrammétrie et orthophotographie........................................................................... 43 A3 Scrutation par Laser aéroporté - ALS.............................................................................. 49 A4 Levés terrestres / Théodolite & Tachéomètre.................................................................. 62 A5 Levés terrestres / GPS - Global Positionning System ..................................................... 65 A6 Bathymétrie par sondeur ultrasonore .............................................................................. 71 A7 Glossaire général ............................................................................................................ 73

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AVANT PROPOS Les Directions Départementales de l’Equipement et les Services de la Navigation sont parfois amenés à élaborer des commandes de données topométriques et bathymétriques destinées à des études hydrauliques. S'agissant d'un domaine technique pas couramment pratiqué, il peut s'avérer problématique d'élaborer des spécifications, de suivre et de réceptionner le travail. Dans le cadre de ses missions d’assistance et de conseil en matière d’études hydrauliques, le Centre d’Etudes Techniques Maritimes et Fluviales assiste les services déconcentrés du ministère de l’Equipement. Pour répondre au besoin énoncé plus haut, il a collaboré avec le CETE Méditerranée pour l'élaboration de ce guide. Lorsqu'une étude hydraulique est envisagée, plusieurs étapes sont à identifier par le Maître d'Ouvrage : 1. Identification du problème hydraulique, ainsi que l'objectif, le délai maximum éventuel de réalisation, les moyens financiers disponibles; 2. Examen des possibilités de résolution du problème et des coûts et délais. Le budget global est relatif d'une part à l'étude hydraulique, d'autre part à l'acquisition des données nécessaires à l'étude. La nature et la quantité des données dépendent de la méthode envisagée pour l'étude hydraulique. Cette étape doit tenir compte des études et données disponibles, via une étude hydraulique préliminaire, une Assistance Technique à Maîtrise d'Ouvrage, ou par le Maître d'Ouvrage s'il dispose des compétences nécessaires en interne; 3. Choix de la méthode de résolution du problème hydraulique en fonction du triplet objectif/budget/délais. Ceci conduit à la définition des données à acquérir pour l'étude; 4. Commande de l'étude hydraulique et des données nécessaires. Il s'agit de deux postes totalement discernables, liés à des métiers distincts, bien qu'ils soient quelquefois groupés en une seule commande au bureau d'études qui effectue l'étude hydraulique (qui sous-traite à son tour l'acquisition de données à un cabinet de géomètres); 5. Suivi et réception de l'acquisition des données d'une part, de l'étude hydraulique d'autre part. Ce manuel traite de la commande des données topométriques, bien discernable de la commande de l'étude, par la nature de la prestation et du métier du prestataire. Ceci n'est pas incompatible avec le fait que la nature et les caractéristiques des données soient définies en relation avec la nature de l'étude hydraulique. Ce catalogue est donc utile pour les étapes 4 et 5, pour les aspects données, et éventuellement pour l'étape 2 (budget) si l'ampleur de cette étape préliminaire est justifiée. L'objectif est l'assistance à l'élaboration et la réception d'une commande de données en permettant d'évaluer l'ampleur du travail d'acquisition de ces données, l'adéquation de telle ou telle technique à l'objectif, et de suivre et contrôler le travail fourni. Il est entendu que la méthode de résolution du problème hydraulique est définie de manière distincte de la commande de données, le plus souvent au préalable. La composition de ce manuel est conçue pour fournir les éléments nécessaires à : - l'élaboration d'un budget global prévisionnel; - l'élaboration des spécifications techniques; - l'élaboration d'un budget global ajusté; - le choix du devis le mieux disant; - les moyens d'effectuer le suivi et la réception.

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Le noyau du manuel est constitué d'un catalogue de techniques de levés présenté sous forme de fiches techniques limitées à une page pour une consultation rapide fournissant des renseignements suffisants. Ces fiches sont complétées d'une part d'un préambule rassemblant des remarques globales facilitant l'organisation des tâches, d'autre part d'annexes techniques destinées à préciser les fiches techniques si le lecteur souhaite plus de détails. De manière à favoriser la consultation sélective, les remarques, fiches et annexes sont numérotées pour que le lecteur puisse s'y reporter lors de la consultation directe de la fiche technique qui l'intéresse. Ce document a été mis en œuvre pour que l’utilisateur puisse l'utiliser rapidement, sans avoir à rechercher nécessairement des informations supplémentaires pour composer et effectuer le suivi d’une commande de données. Cependant, il peut être utile de disposer de quelques éléments supplémentaires, sans pour autant avoir à parcourir une bibliographie complète. Dans cette éventualité, le document est conçu pour permettre deux niveaux d’approfondissement : - Des détails techniques sont accessibles en se reportant aux annexes techniques, qui sont soit des compléments des fiches techniques, soit des résumés de sujets communs à plusieurs techniques de levés. De plus, certaines remarques et questions / réponses sont relatives à plusieurs types de commandes, et ne sont pas nécessairement citées en rappel dans une fiche technique. - Pour de plus amples informations, les références bibliographiques ont été sélectionnées pour leur qualité synthétique et didactique, ou pour leur aptitude à fournir des informations récentes sur la technique ou sur l’état des connaissances sur le sujet. En résumé :

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POUR UNE CONSULTATION RAPIDE, LIMITEE A L’ESSENTIEL - consulter le tableau synthétique des techniques de levés, pour repérer les techniques les plus appropriées aux besoins (colonne type de données) - consulter ensuite les fiches techniques correspondantes, et les remarques auxquelles elles font éventuellement référence

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POUR UNE CONSULTATION DETAILLEE LIMITEE AUX QUELQUES TECHNIQUES RELATIVES A LA COMMANDE COURANTE - consulter le tableau synthétique des techniques de levés, pour repérer les techniques les plus appropriées aux besoins (colonne type de données) - consulter ensuite les fiches techniques correspondantes, et les remarques auxquelles elles font éventuellement référence - consulter les annexes techniques lorsque les fiches techniques signalent leur présence

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POUR UNE CONSULTATION DETAILLEE DESTINEE A ACQUERIR UNE CONNAISSANCE PLUS LARGE, PAR EXEMPLE POUR ETRE UTILISEE POUR PLUSIEURS COMMANDES Il n’est pas nécessaire de lire l’ensemble du document de manière séquentielle. On peut par exemple consulter la liste des remarques et questions / réponses "en diagonale" en s’arrêtant sur les points recherchés, et parcourir les fiches techniques. Le reste du document peut être consulté à la demande. L’utilisateur peut aller plus loin en consultant la bibliographie proposée dans les fiches et les annexes techniques.

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REMARQUES GLOBALES - QUESTIONS / REPONSES La commande de données topométriques appelle des commentaires communs à plusieurs techniques d'acquisition. De plus, quelques questions reviennent souvent. Ce préambule est destiné à traiter ces points. La numérotation n'est destinée qu'à faciliter le renvoi à partir des fiches techniques.

R1

AVANTAGES ET INCONVENIENTS D'UNE ETUDE ASSISTANCE TECHNIQUE A MAITRISE D'OUVRAGE

PRELIMINAIRE,

D'UNE

Comme indiqué dans l‘avant-propos, la commande de données est étroitement liée au type d’étude hydraulique, et en particulier à la méthode de résolution. Pour un calcul filaire pour lequel une précision fine des résultats n’est pas nécessaire, ou bien pour un modèle numérique 2D ou 3D, les caractéristiques nécessaires des données sont en général, très différentes. Elles le sont en précision, mais aussi en densité des données (quelquefois désigné aussi par "concentration des données" ou "résolution spatiale"). De plus, en cas d’étude nécessitant une quantité de données importantes, il est possible qu’une grande partie de ces données existe déjà, avec la nécessité d’un tri de ces données plus ou moins conséquent. Or, on ne peut préjuger de l’ampleur du tri des données avant d’avoir effectué un inventaire préliminaire. Enfin, lorsque l’objectif de l’étude, et de l’acquisition des données nécessaires, est multiple, on peut être amené à fixer des priorités, dans les délais de réalisation (et donc d’acquisition des données) et dans l’objectif de précision des résultats. Les moyens du Maître d’Ouvrage permettent quelquefois d’effectuer cette étude préliminaire en interne, mais le temps manque le plus souvent. Or, se passer d’une étape préliminaire destinée à cadrer correctement l’ensemble des deux commandes (étude et acquisition de données) peut in fine conduire à une perte de temps (par interruptions pour par exemple acquérir des données manquantes ou erronées), et à un budget global plus important que celui qui aurait consisté en une étude préliminaire ou Assistance Technique à Maîtrise d’Ouvrage (ATMO) additionnée à l’étude et à la commande de données. Les avantages d’une étude préliminaire ou d’une ATMO sont donc l’aide au cadrage de l’étude et de la commande de données, en termes de délais et d’optimisation des coûts, ainsi que de suivi et réception dans le cas de l'ATMO. L’assistance consiste le plus souvent à participer au choix d’une méthode de résolution du problème hydraulique en rapport avec l’objectif, à dresser un premier inventaire des données existantes et des transformations à prévoir (adéquation au problème, conversions de systèmes géodésiques, ampleur des saisies manuelles à prévoir,…), puis à effectuer une première synthèse des besoins en données complémentaires. Il n’est pas rare que l’étude préliminaire soit confiée au bureau d’études auquel est destinée l’étude hydraulique. Une ATMO réalisée par un tiers augmente encore la fiabilité du suivi des deux commandes (données et étude). Bien que ce soit le seul inconvénient, celui du délai nécessaire à une étape préliminaire a son importance lorsque l’ampleur de l’étude hydraulique à effectuer ne le justifie pas. Il faut cependant noter, pour des études d’ampleur conséquente, que le délai utile pour une phase préliminaire conduit en général à un gain de temps lorsque toutes les étapes de l’étude et de l’acquisition des données sont prises en compte. Dans tous les cas, il est important que le bureau d’étude soit consulté pour l’élaboration du cahier des charges de la commande de données, dont le format de livraison est alors adapté aux outils qui seront utilisés dans les calculs hydrauliques (cf. R14).

R2

UNE COMMANDE CONCERNANT L'ENSEMBLE DE L'ETUDE HYDRAULIQUE ET DE L'ACQUISITION DES DONNEES OU BIEN DEUX COMMANDES DISTINCTES ? Confier la commande des données au bureau d’étude hydraulique peut sembler a

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priori la solution la plus simple. Cependant, il est très difficile de discerner lors du suivi les moyens qui sont consacrés à tel ou tel poste. La réception et surtout l’utilisation ultérieure des résultats et des données peuvent aussi s‘avérer délicates. Choisir de passer deux commandes distinctes semble plus approprié, à la fois pour maîtriser chacune des tâches et pour refléter le fait que c'est le Maître d'Ouvrage qui est propriétaire des données et non le bureau d'étude. Cependant, mettre en œuvre la commande de données sans lien avec le bureau d’études hydrauliques risque de conduire à des données inadaptées à la méthode de calcul hydraulique et aux outils (cf. R10, R11, R14). Le plus judicieux (et peut-être le plus courant) est d’élaborer une commande de données distincte de la commande de l’étude, mais en consultant le bureau d’études hydraulique, qui peut participer au suivi et à la réception. Celui-ci identifie alors cette tâche dans son devis et la commande de données peut être le cas échéant à la fois adaptée à l’étude hydraulique et à la base de données du Maître d’Ouvrage. Cette pratique est proche de l'Assistance à Maîtrise d'Ouvrage dont il est question dans la remarque R1.

R3

OU SE PROCURER UN MODELE DE BASE DE SPECIFICATIONS TECHNIQUES TYPES POUR LA COMMANDE DE DONNEES TOPOGRAPHIQUES ? - En prenant contact avec d’autres services ayant eu à passer une commande similaire - En consultant le Guide Méthodologique RIVICAD du CETMEF (mai 1999), ou les documents relatifs à l’établissement de plans topographiques de la Direction des 1 Routes , dont des exemplaires sont disponibles au CETMEF/DVNE ou au CETE Méditerranée/DCPH/SH. Dans tous les cas, il faut ajuster les valeurs de précision, densité,…données en exemple à l'objectif de l'étude courante. NOTA BENE : la nouvelle réglementation relative au nouveau système géodésique est à actualiser dans ces documents.

R4

COMMENT DETERMINER LA NATURE ET LA PRECISION DES DONNEES NECESSAIRES ? C’est toujours l’utilisation à laquelle sont destinées les données qui définit leurs caractéristiques. Selon l’objectif de l’étude, on définit tout d’abord la zone totale à prendre en compte, puis les zones où l’on souhaite le plus de précision (au sens large : en incertitude et en densité). Par exemple, lorsque l’étude est limitée au lit mineur, ce sont les levers bathymétriques et la définition des berges qui ont un intérêt. Pour une étude d’aménagement, les zones du lit mineur ou du lit majeur proches des zones à aménager doivent être décrites avec une discrétisation spatiale relativement fine. La précision des mesures (au sens de l’incertitude) n’est pas nécessairement le critère le plus important. Finalement, c’est la méthode choisie pour effectuer l’étude hydraulique, qui tient compte par définition de l’objectif de l’étude, qui définit les caractéristiques de l’ensemble des données nécessaires. C’est pour cette raison que la consultation du bureau d’étude qui effectue l’étude hydraulique est nécessaire. La consultation des données existantes (qualité et dates) permet alors de déduire les données complémentaires à commander. Dans tous les cas, élaborer une première définition des caractéristiques des données nécessaires c’est examiner :

1

- Etablissement de plans topographiques (par méthodes photogrammétriques) - pièces techniques du e e e dossier de consultation des entreprises - levers au 1/5000 , 1/2000 , 1/1000 - Direction des routes, 1991 e - Etablissement de plans topographiques au 1/1000 (par méthodes terrestres) - dossier de consultation des entreprises - CCTP - CCTP type - Direction des Routes, 1991

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- la concentration des données, souvent variable à l’intérieur de la zone d’étude; - la précision nécessaire; - le type d’acquisition le plus approprié (base de données, techniques aériennes, levés terrestres) souvent variables à l’intérieur de la zone d’étude. La synthèse de ces informations peut être reportée sur une carte (au 1/25000e par exemple), sur laquelle on fait figurer (à la main ou par des tracés sur un SIG comprenant un Scan 25) les limites du domaine, les positions en plan des profils bathymétriques, profils terrain, limites de zones où les données doivent être plus denses,… avec une petit encadré spécifiant les quantités (nombres de points et / ou densité selon les variations locales de cote pour les levés en travers, densité de points isolés,…cf. les fiches techniques). En cas d’utilisation multiple des données commandées (l’étude hydraulique en premier lieu mais aussi par exemple l'alimentation d'une base de données), chaque type d’utilisation doit être examinée.

R5

COMMENT DELIMITER L'ETENDUE DE LA ZONE A COUVRIR ? Le premier support pour délimiter la zone à étudier est souvent une carte (au 1/25000e par exemple). La première étape est l’identification des zones d’intérêt pour l’objectif à atteindre. Puis il faut ajuster l’ensemble de la zone d’étude en fonction de la méthode utilisée pour résoudre le problème hydraulique. Cette étape doit donc être effectuée en collaboration avec un bureau d'études hydrauliques (celui qui est chargé de l'étude ou bien l'ATMO). En effet, un aménagement à tester dans une zone donnée peut avoir une influence en amont (ou en aval) de cette zone, à une distance qui doit être évaluée en ordre de grandeur avec une marge suffisante pour être sûr qu’elle puisse être évaluée lors des calculs.

R6

COMMENT DETERMINER LES DELAIS A IMPOSER ? Si l’on dispose de trop peu d’éléments pour évaluer les délais nécessaires, signalons tout d’abord qu’il peut être spécifié dans la commande que le délai doit être proposé, et éventuellement qu’il a son importance dans le choix du prestataire. Cependant, il est bon de connaître, au moins globalement, les contraintes liées à chaque type d’acquisition de données, qui influencent directement les délais et durées / périodes d'intervention. Par exemple, pour une commande de levés photogrammétriques, il est fortement conseillé d’effectuer la prise des clichés par temps clair et lorsque la végétation est la moins dense possible (cf. F1), quitte à imposer un délai court pour une première phase du travail (les prises de vues). Autre exemple : certains petits cours d’eau sont en quasi totalité hors d’eau, en période d’étiage; il est donc conseillé d'effectuer les levés (photogrammétriques ou terrestres) dans cette période pour minimiser les mesures en zones inondées, moins aisées à lever donc moins précises et plus onéreuses. Les délais, durées et/ou périodes d'intervention à imposer sont donc définis par le type de technique d’acquisition des données. Ils peuvent être définis par étapes successives avec éventuellement des points d'arrêt.

R7

COMMENT TENIR COMPTE DES CONTRAINTES LIEES AU TYPE D'ACQUISITION DES DONNEES ? Les contraintes spécifiques sont précisées dans les fiches techniques pour chaque type d’acquisition. Elles se traduisent en délais (cf. R6) et en coût (cf. R8). Des contraintes exceptionnelles peuvent être à considérer, par exemple liées à la navigation, à la météorologie, à la fréquentation ou à l’accès des zones de mesures,… La connaissance du site est alors nécessaire pour évaluer ces contraintes. Une visite de terrain préalable à la commande, éventuellement en compagnie d’un hydraulicien ou d’un géomètre, peut être utile.

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R8

COMMENT AJUSTER LE BUDGET ET L'AMPLEUR DE L'ACQUISITION DE DONNEES? La commande des données peut atteindre trois niveaux de qualité, et donc de coût : - la commande est effectuée rapidement, par exemple sans précision de zones à densifier, d’incertitude selon les zones, de format de livraison,… Dans ce cas, il est probable que le coût de la commande soit faible par rapport à celui qu’il devrait être pour une commande appropriée, mais le budget global et la qualité du service sont susceptibles d’en subir les conséquences : levers complémentaires (plus coûteux parce isolés - cf. R15 - et pas nécessairement homogènes avec les données antérieures), pré-traitement des données plus important que prévu par l’hydraulicien et donc temps disponible réduit pour les tâches de calculs et de post-traitement (cf. R14),… - les spécifications sont élaborées en concertation avec un hydraulicien, chaque poste étant identifié et les caractéristiques des données bien définies, avec une liste détaillée de prestation minimale. Ce dernier terme fait référence au fait que toutes les données nécessaires et leurs caractéristiques sont décrites, sans prévoir de format spécifique à la technique de calcul. De même, d'éventuelles données supplémentaires destinées à être utilisées dans une variante d’objectif pressentie ne sont pas envisagées. Ce cas est tout-à-fait adapté à une étude hydraulique dont les conclusions sont prévisibles qualitativement et où l’objectif est la quantification. C’est un cas très répandu. - La commande est élaborée comme la précédente, mais elle présente en plus la prévision de variantes, sous forme d'options, selon les résultats de calculs intermédiaires ou d'étapes de négociation. L’hydraulicien peut par exemple définir des données ou caractéristiques de données indispensables, et d’autres souhaitables. Le bien fondé de ces options est à évaluer en fonction du type d’étude hydraulique. Ce type de commande permet de préparer l'éventualité d'une commande complémentaire en cours d'étude. Ceci conduit à un gain de temps pour la mise en œuvre de la commande elle-même, et à un coût réduit du supplément de données : le géomètre, sachant qu'il est possible qu'il ait à revenir sur le terrain, peut placer des points de repérages, étendre son canevas de base,… quasiment sans supplément de coût et en permettant un gain de temps sensible lors de l'éventuel supplément de commande. Ce type de commande "à options" est également utile lorsque l’étude hydraulique n'est pas complètement définie et qu'il est important de gagner du temps. On ne peut raisonnablement parler d'ajustement du budget et de l'ampleur de l'acquisition des données que dans les deux derniers cas. Il faut alors : - lister toutes les données à commander et le coût correspondant par poste (cf. les éléments de coût dans le tableau synthétique page 19); - comparer le total au budget envisageable. Si l'écart est trop important, il ne faut pas succomber à la tentation de réduire chaque poste de la commande de données pour arriver à l'objectif de budget, mais plutôt reprendre la définition des objectifs (rapide, puisque déjà fait une fois) de manière à supprimer un ou plusieurs postes de l'étude hydraulique qui ne sont pas prioritaires. Ceci conduit à supprimer quelques données qui ont été jugées nécessaires pour les objectifs secondaires. La commande finale de données concerne alors moins de données, mais avec toutes les caractéristiques nécessaires.

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R9

RECENSEMENT DE DONNEES ANTERIEURES : UTILITE ET MISE EN OEUVRE Il existe toujours des données anciennes utilisables pour l'étude hydraulique. Soit ces données sont nécessaires (et irremplaçables) pour refléter l'état d'un site à une période de référence (juste avant / juste après une crue historique par exemple). Soit le Maître d'Ouvrage ou un autre organisme (collectivité territoriale, gestionnaire d'ouvrage,…) dispose de données anciennes mais encore d'actualité (par exemple des levés de lit majeur datant de plusieurs dizaines d'années lorsque ce site n'a pas subi de modifications topographiques). Le recensement des données permet d'établir celles qui sont utilisables pour l'étude hydraulique, et donc de définir celles qui restent à acquérir. Effectuer la synthèse des données, c'est examiner chaque source en notant : - le contexte (à l'occasion de quelle étude); - la nature (levés terrestres, photogrammétrie,…linéaires, semis,…); - le format (carte ou schéma, fichier AutoCAD, fichier ASCII,…); - la source (bureau d'étude, géomètre,… qui n'est pas nécessairement identique au contexte); - le système géodésique; - la date (de saisie des données, pas de l'étude ou de la source citée dans l'étude); - l'utilité dans l'étude hydraulique courante (comparaison de variantes, géométrie récente, ancienne,…) - les commentaires (relatifs, par exemple, aux éléments manquants ou à vérifier, à l'ampleur de la tâche de récupération,…) Le recensement des données peut être dissocié de l'étude hydraulique, mais dans ce cas la connaissance de son cahier des charges et des outils qui seront utilisés est indispensable.

R10 QUE DESIGNE EXACTEMENT LA PRECISION / LA TOLERANCE DES DONNEES ? Ce sont des termes utilisés pour définir plusieurs types de grandeurs. La plus répandue est relative à une notion de lois statistiques : la précision est l'erreur quadratique moyenne (ou écart-type). Globalement, c'est l'amplitude de l'écart à 1 considérer autour d'une valeur mesurée pour 70% des mesures . Plus précisément : - 68% des valeurs mesurées varient à l'intérieur d'un intervalle de ± précision - 91% des valeurs mesurées varient à l'intérieur d'un intervalle de ± 1.7*précision - 99.3% des valeurs mesurées varient à l'intérieur d'un intervalle de ± 2.7*précision. Cet dernière valeur (2.7*précision) est appelée la tolérance. - 0.7% des valeurs mesurées varient à l'intérieur d'un intervalle supérieur à ± 2.7*précision Par exemple, pour une précision de 40 cm, il y a 68% de chances qu'un point donné, coté à 20 m ait une cote réelle comprise entre 19,60 m et 20,40 m. L'écart entre ces deux valeurs limites est de 80 cm (deux fois 40 cm). Il y a 32% de chance que ce même point coté à 20 m ait une cote réelle variant dans un écart plus important, pouvant atteindre 2,16 m (deux fois 2.7*40 cm), et au-delà (seulement 0,7% de chance). Comme il s'agit de considérations statistiques, pour le même exemple de précision de 40 cm sur les cotes des points, on peut raisonner globalement, pour l'ensemble des données : 68% des données de cotes correspondent à une valeur réelle pouvant varier dans un écart de ± 20 cm, le reste pouvant varier dans un écart de ± 1.08 m, dont 0.7% dans un écart encore supérieur. 1

Etude de sensibilité des modélisations 1D - Recensement et quantification des sources d'incertitude externes - CETMEF / CETE Méditerranée - mars 2001

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Un autre exemple montre comment on peut imaginer la variation probable des valeurs des données mesurées dans l'espace : en ordre de grandeur, pour une précision de 30 cm (c'est-à-dire une tolérance d'environ 80 cm) en planimétrie et une précision de 50 cm (c'est-à-dire une tolérance d'environ 1.35 m) en altimétrie, les données peuvent varier à l'intérieur d'un parallélépipède, comme dans la figure suivante. 1.60 m 60 cm

1.60 m

60 cm 1m

70% des mesures correspondent à une valeur réelle contenue dans ce parallélépipède

2.70 m

Le reste des mesures correspond à une valeur réelle contenue dans ce parallélépipède (écart maximum)

La précision définie comme ci-dessus est celle dont il est question dans l'arrêté interministériel du 21/01/80, utilisé, par exemple, pour la photogrammétrie ou les levés terrestres (on rappelle que la tolérance vaut 2.7 fois la précision). D'autre définitions sont quelquefois utilisées pour désigner la précision, dans un esprit voisin de celui cité ci-dessus, lorsque c'est plus approprié au type de mesure désignée. La signification est alors précisée au cas par cas. La précision imposée dans une commande de données est donc une quantité forfaitaire qui ne concerne qu'une partie (une majorité) des données. Cela ne signifie pas que chacune des données fournies seront décrites avec la même précision. Cette remarque est notamment à prendre en compte lors de l'étape de calage des résultats de calculs, dans laquelle seules quelques données sont considérées comme référence.

R11 DISTINCTION ENTRE PRECISION DES DONNEES ET DENSITE DE L'INFORMATION Lorsque la commande concerne par exemple une saisie de points cotés par photogrammétrie ou le lever de profils bathymétriques, il faut préciser (au moins par 1 défaut en citant l'arrêté correspondant ) le nombre de points par surface, par linéaire, par variation d'altitude,… selon le type d'acquisition - cf. les fiches techniques correspondantes). Ceci définit la densité des données. Ceci permet d’adapter la commande de données au type de résolution du problème hydraulique associée. Par e exemple, la commande de données photogrammétriques pour un plan au 1/5000 , si elle ne fait référence qu’à l’arrêté du 21/01/80, implique un semis de points restitués espacés d’environ 100 m * 100 m, ce qui peut se révéler trop peu dense pour, par exemple, un calcul d’aménagement de détail dans une zone de faible superficie. Lorsque la commande précise une densité plus importante des levés, il est possible de spécifier e quelques zones seulement (par exemple sur une carte au 1/25000 , avec un tracé rapide à la main, cf. R4). La précision des levés est relative à chaque type de données (cf. R10), grandeur qui est tout-à-fait indépendante de la densité surfacique des données. Une précision fine des données ne peut en aucun cas pallier le manque de densité de l’information, et inversement.

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Aujourd'hui, c'est l'arrêté du 21 janvier 1980 qui fixe les tolérances des données commandées

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Par exemple, dans une zone avec variations sensibles du relief, même si l’on prend la précaution de faire effectuer des levés terrestres des crêtes de talus, les pieds de talus ne peuvent être correctement représentés que s’ils sont levés eux aussi ou bien lorsque la densité de points proches de ces pieds est assez importante. Pour définir cette densité, il suffit d’effectuer quelques mesures en plan (en ordre de grandeur) sur e une plan (souvent suffisant au 1/25000 ). Sur le schéma ci-contre, on peut imaginer une vue en coupe, après interpolation linéaire fournissant le Modèle Numérique de Terrain, représentation approchée du relief, pouvant conduire à une erreur sensible d’évaluation d’une zone inondable, d’une capacité de stockage,…

crête du talus levée pieds du talus non levés points cotés levés

VUE EN PLAN

R12 LIEN ENTRE COUT ET PRECISION / DENSITE Ce lien dépend évidemment du type de levé, les indications quantitatives sont donc à rechercher dans les fiches techniques. Cependant, quelques remarques sont communes à toutes les techniques d’acquisition. L’acquisition de données comporte toujours une étape de préparation préalable (vol et prise de clichés puis canevas au sol pour la photogrammétrie, canevas à résolution fine avec plan de cheminement pour les levés terrestres,…). La précision et la densité spécifiées doivent le plus souvent être prises en compte dès cette étape, mais son ampleur n’est pas nécessairement beaucoup plus importante : si par exemple le canevas du géomètre doit être plus ou moins fin, les étapes de déplacement du matériel et du personnel et de repérage global ne sont pratiquement pas modifiées. Des spécifications particulières de densité ou de précision n’augmentent donc pas sensiblement le coût global de la commande le plus souvent. Ceci est surtout vérifiable pour l’aspect densité des données. Si par contre il s’avère nécessaire de procéder à un complément de commande, alors il y a risque d'être obligé de reprendre les étapes préliminaires parce que le canevas du géomètre n’a pas été prévu pour cette éventualité. Le coût de cette commande complémentaire peut donc être élevé par rapport à la commande initiale. Un défaut de précision ou de densité des données peut quelquefois être compensé par des manipulations lors de l’étude hydraulique, mais là aussi, le coût résultant de ces manipulations supplémentaires n’est souvent pas avantageux.

R13 UTILITE DES OPTIONS DANS LA COMMANDE L’introduction d’options dans la commande permet : - d’ajuster la commande au budget lorsque l’on n’est pas certain d’avoir bien évalué le coût à attendre (ceci est à envisager lorsque par exemple il s’agit d’un complément d’une commande antérieure, lorsque la technique de saisie est très récente ou bien lorsque de récents progrès techniques peuvent influencer l’équipement de tel ou tel géomètre,…); - d’anticiper une modification de la commande de l’étude hydraulique lorsque les délais sont tels qu’il est nécessaire de commencer la consultation pour la commande de données; - en cas d’étude hydraulique composée d’une étape dont le résultat conditionne l’étape suivante : les données nécessaires ne sont alors pas toutes fixées à l’avance (toutes les CETE Méditerranée


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données susceptibles d’être nécessaires doivent cependant être identifiées). L’utilisation d’options dans la commande principale permet de ne pas avoir à mettre en œuvre une commande complémentaire distincte, avec les délais et coûts correspondants; - certaines options d’un coût mineur peuvent conduire à un gain de temps dans l’étude hydraulique, qui correspond à un coût plus élevé lorsque les mêmes opérations sont effectuée par l’hydraulicien plutôt que par le géomètre (conversions de coordonnées dans un autre système géodésique, formats de fichiers,… cf. R8); Précisons enfin que les commandes contenant des options (s’il s’agit bien d’options et pas d’une commande trop peu précise) n'allongent pas nécessairement les délais de réponse et de livraison.

R14 UTILITE DE SPECIFICATION DU FORMAT DE LIVRAISON Des calculs hydrauliques commencent souvent par le pré-traitement des données. L’ampleur de cette étape se répercute sur le coût de l’étude hydraulique ou bien la qualité des étapes suivantes dans le cas où ce coût n’a pas été pris en compte au prélable. Le format des données numérisées doit être adapté à deux utilisations : - la base de données du service du Maître d’Ouvrage, même si cet objectif n’a pas été défini explicitement : en effet, il est toujours profitable pour des études ultérieures de conserver des archives correctement référencées; - l’étude hydraulique liée à l’acquisition des données. Le système de référence géodésique est un point utile à la fois à la précision des données et au gain de temps. Cela fait partie du format de livraison et fait l’objet d’une remarque spécifique (cf. R16). Les fichiers nécessaires à l’étude sont souvent soit des fichiers AutoCAD ou MapInfo dont le contenu est optimisé, soit des fichiers ASCII, qui peuvent eux aussi être formatés pour une utilisation directe dans le code de calcul hydraulique. L’ampleur du temps gagné et de la précision des résultats de l’étude hydraulique lorsque le format de livraison est optimisé est souvent sous-estimé. En effet, une spécification bien adaptée du format de livraison peut conduire à des économies ou surcoûts sensibles sur le budget global si l’on considère par exemple que le bureau d’études hydrauliques devra passer plus de temps à la conversion de formats ou à la saisie de données anciennes, d’interpolation de données,... que celui qui serait nécessaire au géomètre. Par exemple, la fourniture par le géomètre de fichiers ASCII contenant l’information de profils bathymétriques au format importable directement par le code de calcul hydraulique (spécifié par l’hydraulicien) est d’un coût négligeable, voire nul. Si les données ne sont pas fournies dans ce format, l’hydraulicien devra effectuer une tâche de transformation sensiblement plus coûteuse (saisie manuelle de profils papiers, petits logiciels de transformation de fichiers souvent à mettre en œuvre de façon originale,…) Un autre exemple concerne les fichiers AutoCAD, format quasi universel, dont le nombre d’objets et de calques n’est pas approprié à l’élaboration facile d’un Modèle Numérique de Terrain. Les textes et symboles, utiles pour la lisibilité des plans, ne sont pas toujours rangés dans des calques spécifiques, dont l’effacement serait alors rapide. De même, les points cotés ne reflètent pas la réalité hydraulique du terrain lorsque la densité de points est faible : si ces points sont placés dans le même calque, il faut effectuer le traitement manuellement : prenons l’exemple d’une restitution photogrammétrique d’une zone où des cours d’eau mineurs ou des canaux d’irrigation sont présents. Le schéma suivant présente une vue en plan et une vue en coupe d’une zone de terrain présentant le cas d'un canal d'irrigation. Si la ligne du canal est effacée, quelques points cotés subsistent souvent, avec une cote sensiblement plus basse que la terrain environnant. L’interpolation linéaire effectuée lors de la construction du modèle numérique de terrain simule alors une zone qui n’est pas conforme à la réalité. Lorsque la densité de points est faible (100 à 200 m entre deux points), l’erreur commise peut influencer sensiblement la qualité des calculs ; il faut alors supprimer les points cotés CETE Méditerranée


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manuellement, ce qui prend un temps considérable. Dans ce cas, l’utilité de spécifier de placer les points cotés correspondants aux lignes d’eau isolées dans un calque spécifique est claire. Trace du canal d’irrigation coté Interpolation linéaire Trace réelle du terrain Points cotés levés VUE EN PLAN

VUE EN COUPE

Ces exemples illustrent l’utilité de consulter l’hydraulicien pour les formats de livraison des fichiers d’une commande de données topographiques. Signalons enfin qu’il ne faut jamais céder à la tendance inverse, par exemple commander les données sous un format adapté seulement à l’étude hydraulique si il est spécifique. En effet, les données sont la propriété du Maître d’Ouvrage. Celui-ci doit pouvoir les utiliser ultérieurement pour d’autres études, pas forcément hydrauliques. Il faut donc disposer a minima d’un format assez universel pour permettre les conversions éventuelles pour d’autres utilisations.

R15 LIEN ENTRE COUTS UNITAIRES ET AMPLEUR DE LA COMMANDE Pour les mêmes raisons que celles précisées pour le cas d’une commande à options (cf. R13), l’ampleur des étapes préliminaires à la saisie de données est souvent sans commune mesure avec l’ampleur des données commandées (qualité et quantité). Pour une commande concernant une faible quantité de données pour chaque type d’acquisition, la majorité du coût est donc relative aux étapes de préparation. Il est par exemple impensable d’effectuer une commande de levés photogrammétriques pour une faible superficie. Bien que le coût des levés terrestres soit plus élevé à l’unité, il est tout de même préférable de commander alors des levés terrestres, ou bien d’associer cette commande a d’autres besoins en données topographiques, le coût total pouvant alors être partagé. La disproportion entre le coût des étapes préliminaires aux mesures et des acquisitions en faible nombre est à considérer en particulier lorsque l’étude hydraulique prévoit des étapes ultérieures (cf. R13).

R16 QU'EST CE QU'UN SYSTEME GEODESIQUE ? QUELLE INCIDENCE POUR LA COMMANDE DE DONNEES TOPOMETRIQUES ? Un système géodésique est constitué d’une référentiel géodésique (un centre des masses de la terre et un méridien origine), d’un géoïde et d’un ellipsoïde associé à ce géoïde (cf. A1). Le système géodésique permet de situer tout point proche ou à la surface de la terre en trois dimensions de manière unique. Les coordonnées de ce point sont des coordonnées géographiques (longitude, latitude, hauteur par rapport au géoïde ou à l’ellipsoïde). La prise en compte d’un système de projection, associé à l’ellipsoïde de référence, permet de transformer les coordonnées géographiques en coordonnées planes, que l’on a l’habitude de manipuler dans les Modèles Numériques de terrain ou les SIG. L’ellipsoïde, le système de projection, et éventuellement le géoïde, déterminent la précision avec laquelle telle ou telle région du territoire est définie par les coordonnées CETE Méditerranée


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des points qui la décrivent. Il est donc important de disposer de données géoréférencées dans un système bien adapté. Lorsque les données sont situées dans une des quatre zones liées au Lambert I, II, III, ou IV, il est toujours préférable de spécifier que les données doivent être définies en Lambert "zone". Il n’est pas toujours possible de disposer de cette précision, en particulier lorsque la zone d’étude est dans ou proche de la limite entre deux zones Lambert. On peut alors être conduit à effectuer l’étude en Lambert II étendu, qui couvre tout le territoire français métropolitain mais qui est moins précis que les Lambert zone lorsqu’on s’éloigne de son centre de projection. Même lorsque l’étude hydraulique à laquelle sont destinées les données concerne une zone du territoire qui n’est pas "à cheval" entre deux zones Lambert, on peut être tenté de spécifier le format de projection en Lambert II étendu pour prévenir une utilisation ultérieure des données. Ce serait une erreur. En effet : - d’une part la précision des données est toujours un gain sensible sur la qualité des résultats quel que soit le type de calculs hydrauliques; - d’autre part commander les données dans les deux systèmes à la fois ne coûte rien de plus. En effet, le géomètre dispose de logiciels capables de calculer rapidement toutes les projections à partir de ses coordonnées géographiques. On peut donc utiliser les données en Lambert zone pour l’étude courante, et archiver ces données dans les deux formats.

R17 CONTRAINTES ET INTERET LIES A L'ACQUISITION DE DONNEES EN CONDITIONS EXTREMES (COMMANDE SPONTANEE APRES OU PENDANT UNE CRUE) Après une crue, surtout si elle correspond à une occurrence rare, faire le nécessaire pour conserver un maximum d’information est d’une importance inestimable. En effet, les codes de calculs les plus performants ne remplaceront jamais des données insuffisantes ou mal référencées. Il est donc souhaitable de faire procéder à l’archivage soigné de toutes les informations utiles (clichés aériens et terrestres, levés de laisses de crues, consultations de riverains, synthèse validée du chronogramme des événements,…) dès que possible. Lors d'un événement extrême, des crédits spécifiques peuvent souvent être obtenus auprès des organismes concernés (MATE, collectivités territoriales,…). Il est souvent utile d’avoir recours aux services de secours dont la mémoire de l’événement est fraîche et qui ont souvent aménagé des accès dont il est judicieux de profiter avant leur disparition (réapparition de la végétation après débroussaillage). Pour spécifier les demandes (ce ne sont souvent pas des commandes formelles), il faut savoir quelles sont les contraintes et informations qui seront utiles à des commandes de données topographiques ultérieures. Il faut donc consulter rapidement les fiches techniques de ce catalogue par exemple, et chercher à "préparer" le travail du géomètre. Par exemple, la prise de clichés de zones spécifiques, des dégâts dont les encombres risquent d’être emportés par une prochaine crue de faible importance, ou bien de laisses de crues, doit être toujours associée à un cliché qui situe cette zone par rapport à un objet pérenne, que le géomètre puisse repérer. Cette première étape peut efficacement être confiée à un hydraulicien : d’un coût peu important (quelques jours de terrain), cette opération garantit une valorisation optimisée. Une première commande de données topographiques peut être limitée à des données en nombre restreint ou aux étapes préliminaires liées à l’acquisition. Il faut autant que possible chercher à déterminer la destination probable des données (études géomorphologiques, hydrauliques, génie civil,…). Par exemple, la commande peut être limitée au levés de points caractéristiques des laisses de crues, qui auront été repérées au préalable de manière suffisamment pérenne (trace de peinture, photo avec schéma,…). Si une commande de clichés aériens est envisagée, il ne faut pas la confondre avec une opération de prises de vues pour une restitution photogrammétrique ultérieure : les zones sont en partie couvertes d’eau, donc masquées pour ce type d’acquisition (cf. F1). CETE Méditerranée


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La commande de données topographiques est difficile à préciser en l’absence de projet précis d’étude, si tôt après l‘événement. Il est donc plus profitable de compiler autant d’informations que possible, mais sans chercher nécessairement à devancer une prochaine étude lorsque "les données peuvent attendre" : le lit majeur si l’on suspecte des dépôts importants, le lit mineur s’il est mobile,… On peut aussi avoir recours aux options (cf. R13).

R18 EST-IL UTILE D'ANTICIPER LA COMMANDE DE DONNEES PAR RAPPORT A LA COMMANDE DE L'ETUDE HYDRAULIQUE ? D’un point de vue technique, il est toujours préférable de mettre en oeuvre la commande de données après avoir défini le cahier des charges de l’étude hydraulique : ceci permet de déterminer la précision et la densité des données nécessaires, l’étendue des zones à considérer,… (cf. R4, R5, R8, R11, R13, R14). D’un point de vue tactique, il peut être nécessaire de réduire les délais. C’est la seule utilité de l’anticipation de la commande de données par rapport à la commande de l’étude, hormis la commande de levés de laisses de crues après l'événement (cf. R17). Dans le cas où il est nécessaire d’anticiper la commande de données, on peut élaborer une commande à options (cf. R13) ou bien une commande partielle correspondant à l'une des étapes de l'acquisition des données qui pourrait être dissociée des autres étapes (cf. F1). Il est important de noter qu’une commande trop anticipée par rapport à l’objectif de leur utilisation ou bien trop peu adaptée aux caractéristiques communes à tous les types d’études hydrauliques (par exemple en précision) risque d’être très peu utile. Dans ce cas, le recours à l’assistance d’un hydraulicien, pas nécessairement lié au bureau d’étude hydraulique à qui pourrait d’être confiée l’étude, peut se révéler très judicieuse (cf. R1).

R19 LIEN AVEC LES SIG Une grande partie des données topographiques et résultats des études hydrauliques sont aujourd’hui destinées, à court ou moyen terme, à un SIG. Cet état de fait est tellement connu que l’introduction des données dans un SIG est aujourd’hui implicitement prise en compte dans la quasi totalité des manipulations de données. Signalons que parmi ces manipulations, c’est essentiellement celle de la mise au format des données qui est concernée. D’ailleurs, l’une des préoccupations de mise en œuvre du nouveau système géodésique RGF 93 a été l’uniformisation de données en vue de leur intégration dans un SIG. Le terme de SIG ne fait référence qu’à une forme des données topographiques, qui ne constituent qu'une faible partie des informations utilisées dans les SIG, bien qu’elles constituent une référence géographique de grande importance. Notons toutefois un effet pervers à éviter : le format de livraison des données ne doit jamais être limité à celui d’un SIG. En effet, il est possible que telle ou telle spécification de format destiné à un SIG ne conserve pas toutes les informations originales des données (par exemple un géoréférencement global, assez peu précis pour des études éventuelles aux grandes échelles). Il faut donc bien spécifier la fourniture parallèle d‘un format conservant toutes les caractéristiques de précision originales (cf. R14, R16). Le très convivial site du CNIG propose une aide à la maîtrise d'ouvrage en matière de SIG, dont un extrait est donné ci-dessous.

Aide à la "Maitrise d'Ouvrage" Conseil National de l'information Géographique Le groupe de réflexion du CNIG Aide à la Maîtrise d'ouvrage en matière de SIG a pour mandat d'accompagner les maîtres d'ouvrages publics souhaitant investir dans les systèmes d'informations géographiques. A ce titre, il prépare et diffuse sous formes de fiches des informations susceptibles de les aider dans leurs décisions. CETE Méditerranée


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Ce groupe de travail est composé de représentants des collectivités territoriales (Villes,Conseil Général), de l'Institut Géographique National, de la Direction Général des Impôts, du CNIG bien sûr, et est présidé par l'animateur du groupe SIG topographie de l'Association des Ingénieurs des Villes de France. Ces fiches sont libres de tout droit. Vous pouvez donc les copier et les diffuser. Référence : http://www.cnig.fr/commun/proserv/ficheamo/amo.html

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TABLEAU SYNTHETIQUE DES TECHNIQUES DE LEVES Il s’agit ici de lister toutes les méthodes courantes de levés topométriques. La colonne "observation" est destinée à fournir une description succincte favorable à une vue d'ensemble. Des détails sont accessibles dans les fiches techniques de ce catalogue et dans les annexes techniques éventuellement spécifiées. Technique de levé

type de donnée

Association possible ou nécessaire • levés terrestres pour les zones masquées (possible, fréquent) • levés bathymétriques pour les zones en eau (nécessaires le plus souvent)

photogrammétrie

• levés linéaires topographiques 1 zones hors d'eau (courbes de niveau, berges, profils terrain, routes, voies SNCF, haies, crêtes / pieds de digues ou talus, ...) • semis de points zones hors d'eau • levés linéaires éventuels de repérage (lignes électriques,…...)

Scrutation par Laser embarqué (ALS)

• semis de points zones hors d'eau • (courbes de niveau, berges, profils terrain, routes, voies SNCF, haies, crêtes / pieds de digues ou talus, ...) • • levés partiels zone végétalisées et faiblement inondées • plus difficilement traits de côtes • • • levé linéaires topographiques • levés d'ouvrages • points isolés zones hors d'eau (dont canevas) •

3

levé terrestre • théodolite et tachéomètre • GPS

• • profils en travers lits mineurs ("bande" de points cotés pour la mesure au sondeur ultrasonore) • • profils en long lits mineurs ("bande" de points cotés pour la mesure au sondeur ultrasonore) • semis de points coté de surface étendu pour le sondeur ultrasonore Orthophotographie • planimétrie Bathymétrie • perche ou sonde manuelle • sondeur ultrasonore

N° Fiche / Annexe La précision des points de canevas ou selon la précision et, Bonne Météo F1 des couples de calage est plus fine que dans une moindre L'échelle Ec des prises A2 mesure, la densité de la celle des points restitués. de vues vaut au plus ¼ restitution. Possibilité de commandes distinctes : de l'échelle du plan à Pour des plans au clichés, stéréopréparation, restitution. restituer (environ). Ex : e e 1/5000 , entre 3000 FHT Levés bathymétriques indispensables - levé au 1/5000 : 2 e et 12 000 FHT par km - Exemple de ratios réalistes en coûts : Ec ≥ 1/20000 e pour des plans au - levé au 1/2000 : 40% vol et stéréopréparation+30% e e 1/2000 , 4 fois plus Ec ≥ 1/8000 restitution+20% terrestre+10%bathy technique peu éprouvée, se renseigner F2 Bonne Météo 15 cm annoncés en entre 2000 FHT et levés terrestres pour 2 sur les productions récentes avant la altimétrie - pas de 3 500 FHT par km les zones masquées zone assez étendue A3 commande (possible, fréquent) pour que le coût global discrétisation de 50cm en applications comparables à levés bathymétriques soit justifié (coût de mise planimétrie photogrammétrie en œuvre important) pour les zones en eau (nécessaires le plus souvent) GPS photogrammétrie Bonne Météo centimétrique en théorie, Profils de contrôle : Le coût est très dépendant de la F3 préalable : en pratique plus environ 5 FHT / ml ou densité de points demandé et de la F4 avantageux si la zone généralement sub150 FHT /ha. Levés nature du terrain A4 à couvrir est étendue décimétrique d'ouvrages et repères La commande peut être liée à une A5 des crues : environ 1800 commande données bathymétrie pour les FHT / ouvrage; 150 FHT photogrammétrique, certains zones en eau / repère. géomètres proposent alors une Autres profils entre 500 association avec un autre cabinet FHT et 2 000 FHT spécialisé dans les levés terrestres levés terrestres en Bonne Météo centimétrique à - Manuel: entre 800 FHT il faut être attentif au géoréférencement F5 général et 2500 FHT par profil de la position en plan, et au Voies navigables pour la décimétrique F6 rattachement au berge GPS obligatoire pour bathymétrie ultrasonore - Ultrasonore : entre A6 sondage ultrasonore 12 000 FHT et la bathymétrie ultrasonore peut 20 000 FHT pour environ présenter des limites par petits fonds et 6 profils fonds vaseux Pré-requis

Bonne Météo

précision planimétrique et altimétrique En fonction de l’échelle Ec 2 du cliché . Exemples : Ec=1/14500e planimétrie : 0.27 m altimétrie : 0.3 m e Ec=1/8000 planimétrie : 0.15 m altimétrie : 0.16 m

Très fine (décimétrique) pour la planimétrie. Les cotes, si elles sont fournies à titre indicatif, ne constituent pas une valeur mesurée

Eléments de coût

observation

L'orthophotoplan constitue une cartographie de très bonne qualité pour un fond de plan destiné à l'exploitation et à la présentation de résultats de modélisations. Mais sans données d'altimétrie, uniquement utilisable pour les post-traitements

A2

1

lorsque ces zones ne sont pas masquées (végétation, nuages, zones d'ombre,…) et non de l'échelle du plan restitué 3 le terme "levé terrestre" est aussi utilisé pour définir plus généralement les levés avec contact, par opposition aux levés à grande distance (photogrammétrie, ALS). On peut alors entendre parler de "levés terrestres" pour désigner aussi la bathymétrie. La distinction est faite dans ce tableau, mais pas nécessairement dans le reste de ce catalogue. 2

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Catalogue de techniques d'acquisition de données topométriques pour les études hydrauliques

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INTRODUCTION A LA CONSULTATION DES FICHES La consultation des fiches techniques peut être sélective, les annotations "RN" et "AN" spécifiant respectivement la consultation complémentaire d’une remarque ou d’une annexe technique chaque fois que c'est souhaitable. Seuls les renvois au glossaire général ne sont pas précisées, pour plus de clarté. Ces fiches technique peuvent être utilisées comme mémo chaque fois qu'il est nécessaire de mettre en œuvre les spécifications techniques d'une commande de données topographiques. Toutefois, il peut être utile de consulter l'annexe technique correspondante lorsqu'elle est citée, lors d'une première commande relative à telle ou telle technique d'acquisition.

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FICHES TECHNIQUES

F1 Photogrammétrie F2 Scrutation par Laser embarqué - ALS F3 Levés terrestres / Théodolite & Tachéomètre F4 Levés terrestres / GPS - Global Positionning System F5 Bathymétrie par sonde manuelle F6 Bathymétrie par sondeur ultrasonore

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FICHE TECHNIQUE N°1

PHOTOGRAMMETRIE

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F1

Photogrammétrie

Descriptif technique

Technique de mesure de la forme et la position d'objets à partir de photographies, le plus souvent aériennes pour les données topographiques. L'acquisition est effectuée en plusieurs étapes : les prises de vues, la stéréopréparation (canevas complémentaires), l'aérotriangulation (travail de précision en atelier), la restitution photogrammétrique (en atelier). Les données sont livrées sous forme de points cotés et de lignes 3D (ruptures de pente, courbes de niveaux,...)

Domaines d'application

Calculs numériques hydrauliques, pour études 1D avec zones inondables, 1D casiers, 2D,... et pour de grandes superficies

Précision

Selon l'échelle des clichés, qui conditionne l'échelle maximum des plans. Jusqu'à environ 15 cm de précision sur les trois coordonnées

Coût

selon la précision (c'est à dire échelle des clichés) et la nature du terrain, dans une moindre mesure selon la densité de points restitués. e 2 Pour des plans au 1/5000 , entre 3000FHT et 12000FHT / km , 4 fois e e plus coûteux pour des plans au 1/2000 , (12 fois au 1/1000 )

! Contraintes, requis Limites précautions

A2

R10 A2 A2

pré- La météorologie pour l'étape des prises de vues (pas de nuages, bonne visibilité) & Pas de mesures pour les zones submergées et recouvertes de ! végétation

Association avec Levés terrestres presque toujours associés (zones submergées et d'autres végétalisées + canevas géomètre) techniques Options de la - Canevas du géomètre et points de calage des couples (précision fine) - Densification de zones à définir commande - Formats de livraison - Levés terrestres complémentaires Eléments à fournir

Eléments imposer "

F3 F4 A2 R13 R14

eme

par exemple) avec limites de la zone à couvrir et - Carte (au 1/25 000 éventuellement zones à densifier + position en plan des levés terrestres complémentaires A2 R16

à - Précision / Tolérance - Référentiel géodésique

R14

Format de livraison Le plus courant : fichiers AutoCAD Utiles (très) : fichiers ASCII Contrôles lors du Recouvrement vues aériennes, éventuellement position des levés suivi terrestres complémentaires Points d'arrêt Plan de vol / Position des levés terrestres complémentaires

A2

Réception

- Contenu des fichiers (formats) - Légendes et commentaires - document synthétique explicatif de l'organisation des fichiers livrés

Remarques

- Le format ASCII est d'autant plus important qu'il est difficile de récupérer la cote des points à partir d'un fichier AutoCAD - La commande peut être scindée en plusieurs étapes : prise de vue en été et par temps clair d'une part, autres étapes ultérieurement

R6

Références

- Notions de photogrammétrie - R . Martin - Eyrolles - 1968 - RIVICAD - Guide méthodologique - CETMEF - Mai 1999 - Etablissement de plans topographiques (par méthodes photogrammétriques) - pièces techniques du dossier de consultation e e e des entreprises - levers au 1/5000 , 1/2000 , 1/1000 - Direction des routes, 1991

A2

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SCRUTATION PAR LASER EMBARQUE / ALS

SAT1

SAT2

SAT3

SAT4 SAT5

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F2

Scrutation par laser embarqué / ALS


la technique est basée sur l'émission-réception d'un signal lumineux (infra-rouges) à partir d'un laser aéroporté (avion ou hélicoptère). Le positionnement de l'avion est toujours effectué par GPS 2 larges étendues (plusieurs dizaines de km au moins), topographie 3D

Précision

dizaine de cm en altimétrie, environ 50 cm en planimétrie

Coût

entre 2000 FHT et 3500 FHT / km pour au moins plusieurs 2 dizaines de km


A3

R10

2

!

pré- zone assez étendue pour que le coût global soit valorisée

Contraintes, requis

& météo pour le vol (mais beaucoup moins de contraintes que pour

Limites précautions

la photogrammétrie)

! - quelques levés terrestres éventuellement (dont bathymétrie)

Options de commande

"

R13 R14

la

Eléments à fournir

Eléments imposer

F4 F3

avec - GPS

Association d'autres techniques

délimitation en plan de la zone à couvrir sur une carte (1/25 000 par exemple)

e

R16

à géoréférencement dans les trois dimensions

R14

Format de livraison selon les contraintes de l'étude hydraulique Contrôles lors du suivi Points d'arrêt Réception Remarques

- Cette technique n'est pas encore éprouvée en pratique - se renseigner en préalable sur des productions récentes - la taille des fichiers ASCII pourrait atteindre plus d'une centaine de MO

Références

-

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A3

www.eurosense.com www.tti.fr perso.wanadoo.fr/altoa www.aerodata-surveys.com site internet recherche.ign.fr


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LEVES TERRESTRES / THEODOLITE & TACHEOMETRE

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F3

Levés terrestres / Théodolite & Tachéomètre


Les acquisitions sont effectuées via des mesures d'angles et / ou de distances à partir de plusieurs points de visés au sol. Ces points sont reliés par un cheminement, les coordonnées des stations étant déterminées de manière relative, avec, à l'origine des acquisitions, la mesure de coordonnées absolues via un canevas levé au préalable


Pour tous types d'études hydrauliques. Levés de profils de contrôle, de points isolés, des caractéristiques géométriques d'ouvrage, en lit majeur ou mineur (ponts, digues, talus,...)

Précision

5 à 10 cm pouvant aller jusqu'à 50 cm pour les profils, centimétrique pour les ouvrages. Selon l'arrêté du 21/01/80 : la tolérance pour les profils terrains est de plus ou moins 10 cm en planimétrie et de plus ou moins 50 cm en altimétrie

R10

Coût

En fonction du terrain, de la densité de points,... Profils de contrôle : environ 5 FHT / ml ou 150 FHT / ha. Séries de eme points au 1/500 : environ 500 F/ha. Levés d'ouvrages et repères des crues : environ 1 800 FHT / ouvrage; 150 FHT / repère. Autres profils entre 500 F HT et 2 000 F HT.

A4

! Contraintes, requis Limites précautions

pré- Météo favorable Il vaut mieux faire effectuer les levés terrestres après la photogrammétrie (compléments en fonction de la qualité des clichés) & Une précision fine en altimétrie n'est pas valorisée si la précision en ! planimétrie n'est pas suffisante


avec Bathymétrie levés terrestres par GPS photogrammétrie Options de la canevas géomètre, position en plan numérisée, formats,… commande Les hydrauliciens sont trop souvent amenés à saisir les profils manuellement : bien étudier la question du format de livraison Eléments à fournir Position des profils et zones de levé en plan sur une carte

A4

R10 F4 F5 F6 R13 R14

eme

par exemple). Les positions en plan sont souvent (au 1/25 000 ajustées au mieux sur le terrain) Eléments imposer

"

à Raccordement éventuel des profils à d'autres éléments caractéristiques (berges, rivages voisins, bâtiments pérennes,...) Référentiel géodésique complet (en plan AUSSI) - densité

Format de livraison Fichiers AutoCAD au fichier ASCII. Attention à disposer de la position planimétrique précise (géoréférence) en plus de l'altimétrie

R16 R14

Contrôles lors du raccordements, système de référence complet, position en plan suivi Points d'arrêt En cas de commande importante, bilan intermédiaire Réception

Cohérence avec des levés dans des zones voisines (vérification rapide de quelques cotes)

Remarques

Lorsque les levés concernent des berges, des talus; le positionnement en plan n'est pas toujours bien compréhensible pour le géomètre : s'assurer que l'objectif des levés est clair.

Références

- Cours de topométrie générale - Tome 2 - Méthodes de levés altimétrie - G. Durbec - Eyrolles- 1969 - WWW.leica-geosystems.com

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LEVES TERRESTRES / GPS

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F4

Levés terrestres / GPS - Global Positionning System


Le principe est la mesure de la distance entre les satellites et les récepteurs via le temps de trajet de l'onde électromagnétique émise par les satellites. Le nombre de satellites doit être au moins égal à 4. La précision et la durée de la mesure dépendent en particulier du nombre et de la position des satellites accessibles durant la mesure.


levés terrestres dans les zones non inondées mesure de positions de références (avion, canevas,…)

Précision

subdécimétrique, voire centimétrique possible la précision en planimétrie est toujours plus fine qu’en altimétrie

Coût

Le coût des levés au GPS n'est pas différencié du coût des autres types de levés terrestres par les géomètres

Contraintes, requis

R10 A5

pré- météo, couverture nuageuse et forestière éphémérides

Limites précautions

& limites du GPS dans ou proche de zones masquées par rapport à la réception des signaux des satellites


F3 F6 F1 R13 R14

avec - théodolite / tachéomètre - sondeur bathymétrique - photogrammétrie

Options de commande

la - canevas du géomètre (précision plus fine) - formats


Eléments imposer

A5

"

e

- position en plan des mesures a priori sur carte (au 1/25000 par exemple) - éventuellement position en plan des données existantes à raccorder

à les levés au GPS sont toujours effectués dans le système de référence WGS84 : imposer un autre système de référence supplémentaire (souvent Lambert local)

Format de livraison Au moins : e - carte avec position en plan (1/25000 par exemple) ajustée a posteriori - fichiers ASCII Selon l’utilisation visée des données (étude hydraulique) : - format numérisé sous logiciel standard (AutoCAD, Mapinfo,…)

R16 R14

Contrôles lors du aucun sauf problème spécifique notifié par le géomètre suivi Points d'arrêt Réception - position en plan des mesures a posteriori sur carte (au 1/25000e par exemple) - système de référence, positions en plan et formats commandés - cohérence avec quelques points cotés connus par ailleurs Remarques

Le positionnement par GPS est susceptible d’évoluer rapidement (et de manière favorable) dans les prochaines années

Références

- Tout sur le GPS, Géomatique expert n°10 - décembre - janvier 2001, pp.25-46 - Le GPS et ses applications - Guide du GPS à usage professionnel juin 1995 - Leica - site web du ministère de l'équipement, groupe de travail GPS : intra.CGPC.i2/activité/groupes-de-travail/ntic/gps.asp http://lareg.ensg.ign.fr/CNIG.PSD

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A5

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BATHYMETRIE PAR SONDE MANUELLE

câble

Z+h Z

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F5 Descriptif technique


Précision

Coût Contraintes, requis Limites précautions

Bathymétrie par sonde manuelle Il s'agit simplement de levés terrestres, au théodolite ou au GPS, complétés d'une mesure de profondeur par une sonde, pour la zone submergée. Les levés terrestres classiques sont destinée à lever la position en plan du profil. Le type de sonde est variable selon des géomètres, elle est souvent reliée à un câble tendu au plus près de la surface de l'eau pour plus de précision levés dans les zones submergées dans lesquelles il n'est pas possible de mettre en œuvre un sondage ultrasonore ou bien lorsque le nombre de levés nécessaires n'est pas assez important pour que le coût du sondage ultrasonore en soit justifié théoriquement centimétrique en altimétrie des zones submergées par rapport au plan d'eau - la précision en planimétrie est celle des levés terrestres associés entre 800 FHT et 2500 FHT par profil en fonction de la densité de points demandée et la nature du terrain pré- météo

F3 F4

R10

& Une précision fine en altimétrie n'est pas valorisée si la précision

en planimétrie n'est pas suffisante Association avec - théodolite / tachéomètre d'autres - GPS techniques - photogrammétrie Options de la formats

F3 F4 F6 F1

R13

commande

position en plan des profils a priori sur carte (au 1/25000e par exemple) Eléments à - densité de points (critère d'une variation maximum de cote ou imposer distance 3D entre deux points) - Raccordement aux berges IMPERATIF " - référentiel géodésique complet (en plan AUSSI) Format de livraison - carte avec positions en plan (au 1/25000e par exemple) ajustée a posteriori - fichiers ASCII et/ou AutoCAD Eléments à fournir

R11 R16

R14

Contrôles lors du aucun sauf problème spécifique notifié par le géomètre suivi Points d'arrêt aucun Réception

- carte avec position en plan (au 1/25000e par exemple) ajustée a posteriori - système de référence, formats commandés - cohérence avec quelques points cotés connus par ailleurs

Remarques

Les levés bathymétriques sont d'une importance majeure pour les études hydraulique - leur position doit être déterminée en concertation avec un hydraulicien

R1

Références

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BATHYMETRIE PAR SONDEUR ULTRASONORE

d'après le Diaporama réalisé par la subdivision Sondages-Régulation (janvier 1999) du SNS

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F6

Bathymétrie par sondeur ultrasonore


La position du fond de l'eau par rapport à la vedette bathymétrique est mesurée par émission - réception de faisceaux ultrasonores. Simultanément, la position du bateau est mesurée par DGPS Les données bathymétriques sont fournies sous forme de "bandes" en travers (profils "épais" constitué d'un petit semis de points) ou de semis de points cotés répartis sur l'ensemble du lit


Profils bathymétriques de cours d'eau larges, navigables, pour les études hydrauliques, l'entretien des chenaux de navigation (opération préalable aux extractions)

Précision

Décimétrique à centimétrique

Coût

Lorsqu'il s'agit de services de navigation du ministère, une campagne de mesure coûte entre 12 000 FHT et 20 000 FHT par jour, correspondant à la mise en œuvre et au post-traitement d'environ 5 ou 6 profils espacés de quelques centaines de mètres (ce qui correspond à peu près à une journée de travail) Un bureau d'étude privé facturerait évidemment plus cher

Contraintes, requis

R10

pré- Dispositif de mesure important, dont DGPS ("GPS différentiel")

météo

Limites précautions Association d'autres techniques

A6 F4 A5

A6

& Mesures difficiles par petits fonds et fonds vaseux

Mesures limités à des cours d'eau navigables F4

avec DGPS ("GPS différentiel")

Options de commande

la Rattachement des levés aux berges ou autres zones terrestres

profil en long reliant les sondages de profils en travers Position en plan des zones à lever sur une carte avec zones à densifier

R11

à Densité des semis de points, géoréférencement (conversion du

R16


Eléments imposer

système WGS 84)

" R14

Format de livraison Selon utilisation des données + cartes 3D Contrôles lors du suivi Points d'arrêt Impossible si la commande ne concerne qu'une campagne (et

pas nécessaire) Réception

Géoréférencement et format des données

Remarques Références

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www.shom.fr www.ifremer.fr


A5

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ANNEXES TECHNIQUES

A1 Système de référence géodésique et système projection.......................................35 A2 Photogrammétrie et orthophotographie ..................................................................43 A3 Scrutation par Laser embarqué - ALS.....................................................................49 A4 Levés terrestres / Théodolite & Tachéomètre .........................................................62 A5 Levés terrestres / GPS - Global Positionning System .............................................65 A6 Bathymétrie / sondeur ultrasonore ..........................................................................71 A7 Glossaire général ....................................................................................................73

Ces annexes ont été élaborées en tenant compte des souhaits du réseau technique et du fait que certaines DDE sont aussi éventuellement utilisatrices de matériel de mesures topométriques. On pense par exemple au GPS, qui est en train de se généraliser très rapidement. Ces annexes complètent les fiches techniques conçues dans une optique de concision et souvent suffisantes pour l'élaboration d'une commande simple. C'est pourquoi nous avons choisi de présenter les annexes sans soucis particulier de concision, mais avec la possibilité de lecture sélective, via l'utilisation des caractères gras. Chacun peut y trouver ses centres d'intérêts sans avoir à consulter l'ensemble de l'annexe.

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A1

Système de référence géodésique et système projection

Il apparaît que les utilisateurs de l’information géographique sont souvent confrontés à des problèmes de cohérence entre les données, dont l’origine est souvent liée aux systèmes de référence. Les problèmes liés à ces systèmes devraient être transparents pour les utilisateurs et pris en compte par les logiciels de type SIG. Ce n’est pas le cas aujourd’hui, en particulier parce que les éditeurs de logiciels ne sont pas tous prêts à mettre en œuvre les évolutions nécessaires. Notre désignation usuelle de la position de points par trois coordonnées n’est qu’une traduction réduite, limitée aux besoins de repérage topographique, de la problématique de la géodésie, science vaste et en constante évolution. Nous revenons ici à quelques notions nécessaires à la présentation du problème des systèmes de référence des données fournies par les géomètres pour traiter les questions suivantes : - pourquoi est-ce important de bien spécifier le système de référence des données dans la commande ? - comment procéder face à des données définies dans des systèmes différents, par exemple des données en Lambert I et des données en Lambert II étendu ? - comment procéder face au prochain changement de système de référence règlementaire ? Pour situer le problème, signalons en préalable que les mesures du géomètre ne sont jamais acquises en coordonnées X,Y,Z que nous manipulons, mais en latitude, longitude, et hauteur relative à une surface de référence, un ellipsoïde ou un géoïde, dont nous allons parler plus bas. De plus, si les calculs et relations mathématiques qui définissent tel ou tel système de référence sont rigoureux, on doit garder à l’esprit que les hypothèses utilisées sont forcément fondées sur des approximations : la surface de la terre et la surface d’isopesanteur ne sont pas des formes géométriques parfaites. Ces mêmes hypothèses doivent aussi prendre en compte le fait que la connaissance de la forme de la terre évolue, en fonction des progrès des techniques de mesure. 1 Enfin, les deux surfaces de référence correspondent d’une part à la position planimétrique 2 (ellipsoïde), d’autre part à l’altimétrie (géoïde) . Elles sont souvent considérées de manière indépendante (description mathématique de la surface de référence, conversions entre deux surfaces), et un réseau de mesure spécifique est dédié à chacune d’elles. Mais un référentiel géodésique contient l’ensemble des informations de ces deux références mathématique : ce référentiel est décrit par le système altimétrique ET son ellipsoïde associé. Ceci conduit quelquefois à des confusions de dénomination : le référentiel lui-même, le réseau de points de mesure qui sert à le matérialiser et le système altimétrique ont souvent le même nom. Nous nous limitons ici à ces quelques remarques, mais il y aurait beaucoup à dire pour cerner les cultures qui entrent en jeu pour cerner la complexité de la géodésie : on se rend vite compte que plus on en sait sur la géodésie, plus on a à apprendre. A1.1 SYSTEMES DE REFERENCE PLANIMETRIQUES ET ALTIMETRIQUES Une vaste bibliographie est disponible sur ce sujet, de l’ouvrage ancien didactique et 3 1 détaillé toujours d’actualité aux rapports récents de groupes de travail en passant par des 1

cf. le Glossaire général voir dans le très didactique site du CERTU (www.certu.fr) « Les systèmes de référence géodésiques » 3 Procédés et méthodes de levés topographiques aux grandes échelles - B.Dubuisson, Ed. Eyrolles, 1954 2

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articles de revues spécialisées. Une synthèse récente un peu plus détaillée que celle-ci et 2 appliquée à nos domaines a été effectuée dans le rapport du LRPC de Blois . Pour décrire la position d’un point à la surface ou proche de la terre, il faut commencer par définir un référentiel. Le référentiel géodésique est un repère orthonormé direct dont l'origine est le centre des masses de la terre, le plan Oxy est celui de l'équateur et le plan Oxz est celui du méridien de Greenwich. C’est un référentiel terrestre mondial. Un petit mémo des trois systèmes de coordonnées envisageables est fourni à la fin de cette annexe.

Méridien de Greenwich

z

y O x

Pour déduire la position de points quelconques à partir d’un nombre fini de points dont la position est connue avec la plus grande précision possible, il faut décrire la forme de la terre de manière mathématique. La surface mathématique la plus proche de la forme réelle de la terre est un ellipsoïde de révolution, qui permet de définir une représentation planimétrique de la surface terrestre. Pour prendre en compte le relief, le géoïde, surface équipotentielle de pesanteur, constitue la surface de référence. Le choix de tel ou tel couple d’ellipsoïde et de géoïde de référence, associé à un référentiel géodésique, conduit à définir un système géodésique de référence. Ce choix est guidé par des préoccupations de précision : une surface donnée peut représenter fidèlement une région donnée mais au détriment de la finesse de précision dans une région voisine. De même, une autre surface peut représenter l’ensemble d’un continent avec la meilleure précision possible - globalement, donc - mais au détriment de la finesse locale de représentation. Le géoïde d'un système de référence géodésique donné est défini de manière indépendante, mais il est associé à un ellipsoïde fixé. Ceci permet de définir tout point de manière unique par ses coordonnées géographiques (latitude, longitude, altitude par rapport au géoïde ou hauteur par rapport à l'ellipsoïde), puisqu'on connaît en chaque point de la surface de la terre les positions respectives du géoïde et de l'ellipsoïde. La transformation des coordonnées géographiques en coordonnées planes dépend ensuite du système de projection choisi pour transformer les informations latitude et longitude en coordonnées planimétriques E et N. La cote Z ne subit pas ces transformations : c'est la distance entre le point coté et le géoïde selon une ligne quasiment verticale (pesanteur). Ceci explique que pour changer de système de projection, il faut "remonter" au calcul des coordonnées géographiques, voire cartésiennes, pour calculer correctement les coordonnées planes dans le nouveau système (cf. A1.2). Un système de référence géodésique est matérialisé sur le terrain par un canevas géodésique, ou réseau, couvrant tout le territoire français. On dit que ce réseau est la réalisation du système de référence. Les systèmes de référence planimétriques et altimétriques sont matérialisés par deux réseaux distincts. Les nombres qui suivent les symboles désignant les réseaux ou systèmes géodésiques, les ellipsoïdes,… représentent en général l'année jusqu'à laquelle les données sont prises en compte. En effet, les connaissances sur la géodésie sont en constante évolution, mais il faut arrêter périodiquement un ensemble de données référencées et validées pour que tous les utilisateurs travaillent avec les mêmes références.

1

sites web du CNIG (Conseil National de l’Information Géographique), du CERTU,… Influence de la précision des données topographiques et bathymétriques sur les calculs d’hydraulique P. Salomon, CETE Normandie centre, LRPC Blois, novembre 2000.

2

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A1.1.1 Planimétrie Il y a deux notions relatives à la représentation planimétrique d’un point. La première est relative au choix de l'ellipsoïde de référence qui a été évoquée plus haut. L’ellipsoïde choisi pour représenter la forme de la terre et pour représenter au mieux le territoire français dans l'ancien système géodésique de référence NGF/IGN69 est l‘ellipsoïde de Clarke. La deuxième 1 notion est relative à la théorie des projections . La théorie des projections traite de la représentation plane de la surface terrestre (cf. 2, er Livre I, Titre III, chap. 1 ). On sait que la surface d’un ellipsoïde n’est jamais développable sur un plan sans "déchirures" c’est-à-dire en conservant intégralement les angles, les surfaces ou les longueurs de cet ellipsoïde. On est ainsi obligé d’altérer les figures de cette surface pour en obtenir l’image plane. Deux types de projections sont possibles, les projections dites "conformes" qui conservent les angles et les projections dites "équivalentes" qui conservent les surfaces; En revanche, aucune projection ne conserve les longueurs. On conçoit que plus la surface à représenter est grande, plus les déformations sont importantes. Ceci conduit à rechercher des lois de correspondance convenables entre l’ellipsoïde et la carte ou le plan à grande échelle. Ces lois sont appelées système de projection. Un système de projection est défini par des fonction mathématiques reliant les coordonnées planes E et N aux coordonnées géographiques latitude et longitude. Le système de projection adopté en France jusqu'à présent est le système Lambert, défini pour quatre zones : Lambert I, II, III du nord au sud pour la métropole, Lambert IV pour la Corse. Ces systèmes de projection ont un recouvrement mutuel de 20 km (10 km de part et d’autre de la limite théorique de chaque système). Signalons que ce qui est dénommé "Lambert II étendu" est la projection Lambert II dont les limites sont étendues à l’ensemble de la métropole. Les dénominations Lambert N cartographiques ne correspondent pas à des projections supplémentaires : il s’agit de la projection Lambert N pour laquelle on a remplacé la valeur de Y (translation) par sa valeur augmentée de 1, 2 ou 3 millions (selon que N vaut 1, 2 ou 3) pour une meilleure lisibilité sur une carte. Le Lambert II carto correspond au Lambert II étendu. Ce point est résumé dans le tableau suivant. Projection

Parallèle origine

Translation en X

Translation en Y

Lambert 1 nord

55 grades

600 000 m

200 000 m

Lambert 2 centre

52 grades

600 000 m

200 000 m

Lambert 3 sud

49 grades

600 000 m

200 000 m

Lambert 4 Corse

46,85 grades

234,358 m

185 861,369 m

Lambert 1 carto

55 grades

600 000 m

1 200 000 m

Lambert 2 carto / étendu

52 grades

600 000 m

2 200 000 m

Lambert 3 carto

49 grades

600 000 m

3 200 000 m

Lambert 4 carto

46,85 grades

234,358 m

4 185 861,369 m

A1.1.2 Altimétrie Le géoïde est la surface équipotentielle idéale mathématiquement définie dans le champ potentiel de pesanteur. C’est la surface matérialisée réellement par la surface libre des mers, élimination faite des marées et courants, prolongée sous les continents suivant des hypothèses 1

Quelques éléments se trouvent dans le site du CNIG (www.cnig.fr) : « SIG, référentiels géodésiques et systèmes de projection » 2 Procédés et méthodes de levés topographiques aux grandes échelles - B.Dubuisson, Ed. Eyrolles, 1954 CETE Méditerranée


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et des règles précises. C’est à cette notion du géoïde que se rattache celle de la direction de la verticale, élément physique et réel. Cette surface coïncide au mieux avec le niveau moyen des océans. Mais comme il s’agit d’une approximation destinée à décrire tout le champ de pesanteur autour du globe, le niveau moyen enregistré par un marégraphe particulier ne coïncide pas exactement avec le géoïde. La définition de la cote origine est tributaire de l’uniformité du niveau d’une mer à une autre et de sa stabilité dans le temps. Bien que l’on présume que le niveau des océans se relève près des continents, que les différences de salinité des mers sont susceptibles d’induire une différence de niveaux suivant le principe des vases communicants, les nivellements généraux de précision qui ont été effectuées jusqu'à présent montrent qu’il n’y a pas de différence sensible entre le niveau moyen des différentes mers. Le Réseau français de nivellement de précision s’appelle IGN69 (IGN78 pour la Corse). La cote origine du système IGN69 est située à Marseille (Ajaccio pour le système IGN78). Rappelons qu’en un même lieu, la surface des mers peut être modifiée par des phénomènes de diverses natures : courants, marées, surcotes (dépressions) atmosphériques ou variations rapides de hauteurs de pluie tombées sur un bassin versant,… Ces variations locales, qui ne remettent pas en cause la notion de cote origine, sont prises en compte par la connaissance de ces phénomènes (observation de la météorologie locale au moment des mesures, cartes marines du SHOM,…). A1.2

LE NOUVEAU SYSTEME DE REFERENCE GEODESIQUE RGF93

Cette partie est largement inspirée du site web de l’IGN, qui a été chargé par l’état de diffuser les informations et le logiciel CIRCE2000 permettant la conversion de coordonnées 1 géographiques ou cartographiques . Le Conseil National de l’Information Géographique (CNIG) a préconisé en 1989 la mise en œuvre d’un nouveau réseau (le RGF93, réseau Géodésique français), matérialisant un système de référence tridimensionnel mondial géocentrique (du même nom) de précision centimétrique pour le territoire français métropolitain, adapté aux technologies modernes de positionnement (en particulier le GPS). Le nouveau système de référence géodésique RGF93 est défini par un nouvel ellipsoïde associé au géoïde, appelé GRS80, avec pour origine des longitudes le méridien de Greenwitch. Le géoïde n'est pas modifié, c'est-à-dire que l'altimétrie est toujours définie par le système altimétrique IGN69. Des travaux sont engagés pour faire évoluer l'actuel système altimétrique en tenant compte de l'évolution des connaissances, mais l'introduction de telles 2 améliorations dans un prochain système géodésique n'est pas à prévoir à court terme . D’après les recommandations EUREF, le système RGF93 doit se substituer au système WGS84, système américain, de précision métrique et connu pour les mesures au GPS, pour toute application où une précision centimétrique est requise. Le canevas (réseau) planimétrique traditionnel, appelé "Nouvelle Triangulation de la France" (NTF), comporte 80000 points. Le RGF93, qui succède donc à la NTF, est la réalisation française du système de référence européen ETRS892. Le réseau RGF est structuré en trois parties : le Réseau de Référence Français (23 sites), le Réseau de Base Français (1009 sites, environ un site tous les 25 km, avec une précision de 1.5 cm pour la planimétrie et de 1.5 cm à 5 cm pour la composante verticale), et le Réseau de détail, constitué

1

cf. le décret du 26/12/2000, dont l’article 2 prévoit que l’IGN entretienne et diffuse « à tout demandeur public ou privé l’information relative à ces systèmes et à leurs caractéristiques ainsi que les éléments nécessaires à la transformation des systèmes les plus couramment utilisés sur le territoire national dans er « le système national de référence défini à l’article 1 2 Conversion altimétrique RGF93-IGN69 - Correction des altitudes GPS en France - Groupe de travail permanent « positionnement statique et dynamique » du Conseil National de l’Information Géographique Février 2000 - accessible sur le site web du CNIG. CETE Méditerranée


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essentiellement de la NTF (précision de 5 à 10 cm) . Rappelons qu'il s'agit d'un réseau planimétrique. Les coordonnées des points géodésiques de l’IGN dans le système RGF93 sont diffusées sur serveur minitel (08 36 29 01 29) parallèlement aux coordonnées NTF en Lambert zone. A1.2.1

Projection Lambert-93 associée au système géodésique RGF93

La nouvelle projection Lambert-93 est définie à partir de l'ellipsoïde GRS80 et d'un système de projection qui a été choisi pour servir de référence aux SIG. Sa principale caractéristique par rapport aux "Lambert zone" associés à notre ancien NGF est le fait qu’il n’y a plus de découpage traditionnel en zones d’application. Le point central est proche du barycentre du territoire. Les constantes de cette projection ont été choisies de manière à ce qu’aucune confusion ne puisse se produire avec les coordonnées actuellement en usage (Lambert I,II, III, IV notamment). Enfin, des simulations ont été effectuées montrant que l’adaptation de la nouvelle projection sur des documents cartographiques antérieurs présente un défaut d’échelle maximal de 1 mm par mètre et des écarts au sein du même document inférieurs au dixième de millimètre. Mais attention à son utilisation : bien que le référentiel associé à la projection Lambert 93 soit bien plus précis que le référentiel associé aux projections antérieures, il est toujours vrai que cette précision est dégradée au fur et à mesure qu'on s'éloigne du point central, proche du centre de la France. En réalité, lorsqu'on travaille aux grandes échelles, les projections Lambert I, III et IV restent aujourd'hui plus précises dans les zones concernées. Finalement, du point de vue de la précision, le problème de l'altération linéaire demeure avec le Lambert 93. Il est minimisé par rapport au Lambert II étendu, mais à grande échelle, il vaut mieux travailler avec les Lambert zone. Pour les éventuelles conversions, les caractéristiques mathématiques de l’ellipsoïde et de 2 la projection conique sécante associée sont fournies par l’IGN (cf. § A1.3). A1.2.2

Réglementation

Le texte de loi (n°95-115) retenu à l’Assemblée Nationale précise que « Les informations localisées issues des travaux topographiques ou cartographiques réalisés par l’état, les collectivités locales, ou pour leur compte, doivent être rattachées au système national de référence de coordonnées géographiques, planimétriques et altimétriques défini par décret et utilisable par tous les acteurs participants à l’aménagement du territoire ». Le décret d’application de l'article 89 de cette loi (décret du 26 décembre 2000) institue donc 3 le RGF93 comme le système géodésique de référence légal en France (à compter de février 2001). Ce décret fixe le nouveau système légal à utiliser, mais il n'est pas restrictif. En effet, la commandes de données topographiques en Lambert zone (IGN69 pour l'altitude, ce qui est cohérent avec le systèmes RGF 93) reste tout-à-fait acceptable d'un point de vue réglementaire, et le géomètre est aussi dans son droit en cas de fournitures de données sous cette forme. C'est donc une pratique conseillée en cas de travail aux grandes échelles. On peut toujours si on veut demander les correspondances en Lambert 93. Mais on en n'a pas absolument besoin puisque le logiciel Circé2000 qui permet de convertir des données d’un système géodésique à l’autre est gratuit. Remarquons toutefois que le logiciel Circé n'est pas ce qu'on fait de mieux pour transformer des données vecteurs ou maillées d'un système dans un autre. Il permet uniquement de transformer des coordonnées, mais pas des données qui possèdent une géométrie. 1

Ces précisions sont bien inférieures à celles qui sont à considérer pour les données commandées selon telle ou telle technique de saisie. Le seul rapport entre des données commandées et celles de ce réseau est l’amélioration de la précision du canevas de référence, contribution plus ou moins importante à la précision finale du levé. 2 www.ign.fr/fr/PI/activités/géodésie/rgf93/RGF/lambert93 3 décret n°2000-1276 paru au JORF du 28/12/2000, page 20746 CETE Méditerranée


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Il n'existe pas encore de parution officielle sur les tolérances des levés, comme on a l'habitude des les citer par l'arrêté du 21/01/80 : il faut donc, à défaut, citer dans les commandes de données cet unique arrêté. Les tolérances indiquées ne peuvent constituer une contrainte supérieure aujourd'hui puisque, dans le cas où le géomètre l'utilise comme canevas de base, le nouveau réseau RGF-93 est plus précis que celui de la NTF. A1.3 CONVERSION DE COORDONNEES ENTRE SYSTEMES Lorsque la commande de données est destinée à compléter des données existantes, il est possible que l’ensemble des données anciennes ne soient pas définies dans le même système de référence. On ne revient pas ici sur le choix du système des données à commander (cf. Remarque R16) et l’on suppose que ce choix est arrêté. Pour uniformiser le système de l’ensemble des données, il faut alors choisir l’une ou l’autre des alternatives suivantes : - faire convertir les données anciennes par un tiers, par exemple un cabinet de géomètre ou un service du ministère dont cette tâche est l’une des compétences; - laisser le service qui doit mettre en œuvre l’étude hydraulique ou géomorphologique effectuer ces conversions. Dans ce dernier cas, il faut s’assurer que les conversions nécessaires sont mineures ou bien que ce service a les moyens d’effectuer cette tâche (mais cette compétence est marginale). La transformation de systèmes géodésiques fait l’objet d’une page spécifique sur le site de l’IGN. Il s’agit d’un document contenant les formulations mathématiques qui relient les différentes transformations. Sur ce même site, le nouveau logiciel CIRCE2000 (cf. A1.2.2) peut être téléchargé. Il s’agit d’un logiciel gratuit, accompagné du guide d’utilisation. La consultation de ces documents permet de s’apercevoir rapidement que les opérations de changement de systèmes ne sont pas triviales. En particulier, sauf dans le cas où il s’agit de ne modifier que la projection dans le même système de référence, il faut le plus souvent transformer les coordonnées planes du système d’origine en coordonnées géographiques (latitude, longitude, altitude par rapport au géoïde ou hauteur par rapport à l’ellipsoïde associé) puis transformer ces coordonnées géographiques en coordonnées planes du système de destination. Ceci suppose de connaître sans équivoque les paramètres géométriques et mathématiques des transformations, qui sont accessibles mais qu’il faut savoir bien utiliser. La transformation de systèmes de référence est donc à la fois simple et sans équivoque pour les utilisateurs avertis (géomètres, IGN, pôles de compétences des services du ministère) et complexe (mais surtout propice à une utilisation erronée) pour les utilisateurs occasionnels. Il faut donc effectuer les conversions de systèmes lorsqu’on est certain de l’exactitude des manipulations : si une erreur de 3 millions est facilement décelable (Lambert III carto au lieu de Lambert III), les variations de quelques décimètres passent souvent inaperçues alors que les conséquences peuvent être sensibles dans les calculs auxquels ces coordonnées sont destinées. A1.3.1 Conversion de coordonnées dans le système de projection Lambert La transformation de projections planimétriques (Lambert "zones" et Lambert II étendu) dans le même système de référence (NTF/IGN69) est un cas particulier relativement simple. Cette manipulation est maintenant assez souvent effectuée par les services non spécialistes. Le plus souvent, ces transformations sont effectuées à l’aide de SIG, par exemple MapInfo, qui a fait l’objet de nombreux tests et conseils, notamment par l’IGN et le CERTU. 1 D’après ces sources, et en particulier Signature n°5 de mars 1996 (CERTU), qui explique clairement comment utiliser MapInfo pour cela, la conversion de coordonnées dans MapInfo peut être jugée assez précise, selon le type de manipulation : - Lorsqu’il s’agit de convertir plusieurs fois de suite les mêmes coordonnées d’une projection Lambert "zone" dans la projection Lambert II carto (ou étendue) et inversement, il semble qu’il 1

Revue trimestrielle gratuite largement diffusée

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n’y ait aucune dérive à considérer. Ceci est utile lorsqu’on récupère des données qui ont été converties avec Mapinfo (ce n’est pas forcément vrai avec un autre logiciel) d’un Lambert "zone" (le plus courant) à un Lambert II étendu et que l’on souhaite les convertir à nouveau en Lambert "zone" en l’absence du fichier original. - Lorsqu’il s’agit de convertir des coordonnées à l’origine en Lambert II étendu vers une projection en Lambert "zone" à l’aide de MapInfo, la comparaison avec un calcul direct montre des écarts de l’ordre du mètre sur les coordonnées. Ces écarts peuvent être acceptables pour beaucoup d’études mais ne peuvent être admis lorsque il faut travailler à de grandes échelles, et lorsque la précision nécessaire est décimétrique. Signalons enfin que lors du passage de la version 3 à la version 4 de MapInfo, les coordonnées sont susceptible de subir une altération décimétrique. Ceci est à considérer en cas de changement de version, mais aussi lorsque l’on récupère des données qui ont été manipulées antérieurement sous MapInfo et dont le fichier original ne peut être fourni. De manière générale, les changements de repère dans les logiciels peuvent s’avérer d’une précision fine comme entachés d’écarts de plusieurs mètres. Il est donc nécessaire, avant de procéder à ces manipulations, de se renseigner auprès de spécialistes. A1.3.2 Autres conversions Le logiciel Circé2000 permet de convertir des coordonnées géographiques ou cartographiques d’un système de coordonnées dans un autre. Cette nouvelle version permet en particulier l’accès au système RGF 93. Ce logiciel est accessible sur le site de l’ENSG (www.ensg.fr) ou celui de l’IGN dont il a été question plus haut. Les subtilités concernant le passage de la NTF au RGF93 sont encore d’une maîtrise réservée aux spécialistes. En particulier, il faut savoir que, pour passer de l’ancien système planimétrique (NTF) au nouveau (RGF93), il ne suffit pas de prendre en compte les nouveaux paramètres du nouvel ellipsoïde et ceux du Lambert mais qu’il faut en plus passer par une grille de transformation destinée à prendre en compte l’imprécision de la NTF par rapport au 1 nouveau réseau . Cette grille n’est pour le moment pas prise en compte par les logiciels classiques. A noter qu’elle est bien implémentée dans le logiciel Circé2000. Il faut donc s’informer en préalable à l’utilisation de calculs de conversions vers le nouveau système RGF93 : les sources sur ce point très récent sont en cours de mise à jour. Des contrôles peuvent être réalisés avec Circé. La majorité (toutes ?) des conversions entre autres systèmes, comme le passage entre les coordonnées WGS84 (utilisées pour le GPS) et NTF, ED50,… sont traitées par le logiciel Circé2000. Rendez-vous pour cela sur le site de l’IGN. A1.4

A QUI S’ADRESSER ?

- le pole de compétence de son service s’il existe; - le CERTU, pôle géomatique, qui édite le périodique Signature sur le thème, et qui est accessible via son site (www.certu.fr); - l’IGN, qui a créé une page dédiée aux questions fréquemment posées sur son site (www.ign.fr).

1

La transformation à 7 paramètres qui est citée dans le site IGN ne suffit plus

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A1.5

PETIT MEMO : SYSTEMES DE REFERENCE ET SYSTEMES DE COORDONNEES

D'après une présentation Powerpoint du CERTU.

Système de référence - système de coordonnées Z

Système de référence h M

Coordonnées cartésiennes

ϕ

O

Y

Ellipsoïde

λ

Coordonnées géographiques

X

Projection

N

Coordonnées planes

M E

Systèmes de coordonnées

Z

CARTESIENNES

M

* SYSTEME DE REFERENCE

Y

X, Y, Z

X Z

GEOGRAPHIQUES •Latitude : ϕ

•Longitude : λ •Hauteur ellipsoïdale : h PLANES

X

λ N

M h ϕ

M

E, N

E

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Y

* SYSTEME DE REFERENCE * ELLIPSOIDE

* SYSTEME DE REFERENCE * ELLIPSOIDE * PROJECTION


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A2

Photogrammétrie et orthophotographie

La photogrammétrie est une technique de mesure de la forme et de la position d'objets à partir de photographies. Cette technique permet de fournir la plupart des données de topographie nécessaires aux simulations numériques. L'objectif est de disposer de plans topographiques numérisés a priori et non pas a posteriori par digitalisation des plans papier définitifs. On conçoit aisément que les zones du terrain occupées par un couvert végétal ou couvertes d'eau ne peuvent être décrites à partir de photographies : les données correspondantes doivent alors être recueillies via des levés terrestres. La photogrammétrie est un domaine classique, qui a atteint un degré avancé d'évolution il y a plusieurs décennies. Les progrès récents portent plutôt sur le traitement, en grande partie numérique, des photographies et calculs (géométrie dans l'espace). Un grand nombre de documents sont disponibles sur le thème de la photogrammétrie : il s'agit autant d'ouvrages 1 2 3 que sur l'aspect pratique et sur la manière de composer des spécifications sur le principe 4 5 adaptées à la situation La position des points destinés à constituer le modèle numérique de terrain est déterminée par stéréophotogrammétrie, au terme de plusieurs étapes décrites dans cette annexe : couverture photographique aérienne, stéréopréparation, aérotriangulation, restitution photogrammétrique, mesures complémentaires sur le terrain.

couverture photographique aérienne

aérotriangulation

travaux complémentaires

au sol

stéréopréparation

restitution photogrammétrique

(Xi, Yi, Zi)

Le cas particulier de l'orthophotographie, inutile pour les modélisation numériques mais dont le principe doit être connu, est traité succinctement. Ces étapes sont décrites en résumé pour une compréhension générale et l'élaboration de commentaires appliqués, avec quelques illustrations. Les détails, en particulier des exemples de spécifications pour les commandes 4 5 concernées, sont accessibles dans les documents et . ●

Couverture photographique aérienne

Les photographies prises pendant cette étape étant à la base de la technique, leur position, échelle, et la qualité photographique sont évidemment d'une importance capitale. Les photos sont généralement prises à la verticale du site à un rythme calculé d'après la vitesse de 1

procédés et méthodes des levés topographiques aux grandes échelles - B. Dubuisson - Eyrolles - Paris 1954 2 Notions de photogrammétrie - R . Martin - Eyrolles - 1968 3 Manuel de photogrammétrie - Principes et procédés fondamentaux - K. Kraus, P. Waldhäuls - Hermes 1998 4 RIVICAD - Guide méthodologique - CETMEF - Mai 1999 5 Etablissement de plans topographiques (par méthodes photogrammétriques) - pièces techniques du e e e dossier de consultation des entreprises - levers au 1/5000 , 1/2000 , 1/1000 - Direction des routes, 1991 CETE Méditerranée


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l'avion. L'échelle des prises de vues est reliée à la focale utilisée (souvent 152 mm), l'altitude de vol, la largeur de bande photographiée et l'échelle des plans souhaitée1, 2. Les paramètres de prise de vues sont le plus souvent déterminés par le photogrammètre. La grandeur déterminée à la commande est l'échelle de prises de vues, à déterminer en fonction de la précision souhaitée et des limites supérieures recommandées dans le tableau suivant. Ces valeurs sont légèrement variables selon les sources (en ordre de grandeur, il y a un rapport 4). En tout état de cause, il faut noter que ce sont des majorants. Echelle des plans e

1/5000 e 1/2000 e 1/1000

Echelle des prises de vues : limite supérieure recommandée

1/14 500 e 1/8000 e 1/4000

e

Pour l'établissement du plan de vol, la couverture aérienne est à réaliser en une ou plusieurs bandes comme sur le schéma suivant. Le recouvrement longitudinal des clichés doit être de 60% en moyenne, le recouvrement latéral des clichés de deux bandes parallèles doit être de 25% en moyenne.

Géométrie classique de plan de vol en terrain plat

3

Les prises de vue peuvent faire l'objet d'une commande séparée du traitement photogrammétrique, et c'est souvent recommandé : le Maître d'Ouvrage peut intervenir pour préciser les besoins (densité de points, répartition,…). Il faut alors s'attacher à établir les spécifications en fonction des précisions nécessaires sur les coordonnées des points du modèle numérique. Il n'est pas inutile de penser aussi à une utilisation ultérieure éventuelle des prises de vues : à l'inverse du lit mineur, le lit majeur est susceptible d'être peu modifié avec le temps. Enfin, il est important de penser à programmer le vol dans une saison propice, pour par exemple bénéficier d'une couverture végétale ou nuageuse minimisée : le prix des 1

RIVICAD - Guide Méthodologique - CETMEF - Mai 1999 Etablissement de plans topographiques (par méthodes photogrammétriques) - pièces techniques du e e e dossier de consultation des entreprises - levers au 1/5000 , 1/2000 , 1/1000 - Direction des routes, 1991 3 Manuel de photogrammétrie - Principes et procédés fondamentaux - K. Kraus, P. Waldhäuls - Hermes 1998 2

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levés terrain complémentaires à effectuer dans les zones masquées est beaucoup plus élevé et sans commune mesure avec celui de clichés aériens avec restitution. ●

Stéréopréparation

C'est la détermination des coordonnées planimétriques et altimétrique d'un ensemble de points qui sont destinés à servir de références pour l'ensemble de la zone à étudier : c'est le canevas du géomètre. Cet ensemble de points est constitué du canevas de base (réseau IGN, souvent insuffisant parce que souvent pas assez dense) et de points issus de levés terrestres. Ces derniers sont spécifiques à la commande de photogrammétrie, la tâche correspondante est parfois nommée "travaux de densification du canevas de base". ●

Aérotriangulation

C'est la détermination des coordonnées planimétriques et altimétrique d'un ensemble de points qui sont destinés à servir de références de calage pour les couples de clichés stéréoscopiques. Il s'agit d'une opération laborieuse parce qu'exigeant une grande précision. Cet ensemble de points est défini à partir des points du canevas de base densifié (cf. stéréopréparation), en atelier. Il est évidemment plus dense que le canevas du géomètre : plusieurs points doivent figurer sur chaque cliché. L'aérotriangulation est l'ultime étape de "préparation" du site au sens des calages, redressements,… ●

Restitution photogrammétrique

C'est la détermination de tous les points du plan final qui ne font pas partie du canevas photogrammétrique (ensemble du canevas géomètre et des points issus de l'aérotriangulation), à partir de l'exploitation visuelle d'un appareil de restitution des couples stéréoscopiques de prises de vues et de calculs. La densité des points dépend de l'échelle du plan. Elle est classiquement de 25 2 e points / dm de plan, c'est-à-dire par exemple 1 point / ha pour une échelle de plan de 1/5000 e ou 4 points / ha pour une échelle de plan de 1/2000 . Ces chiffres montrent qu'il peut être nécessaire de spécifier une densification des points restitués dans quelques zones d'intérêt (digues, zones de stockage,…). Dans ce cas, il faut noter que la précision des coordonnées ne varie pas. Notons que si chaque point est repéré visuellement, cette opération est nettement plus rapide que le repérage de points de calage (aérotriangulation). Son coût est donc faible par rapport à l'ensemble des opérations de stéréophotogrammétrie. Enfin, la tolérance de la restitution est donnée dans le tableau suivant, avec quelques exemples1. (cf. R10). Echelle des clichés 1:Ec Tolérance planimétrique (m) -6 Tp = 50*Ec*10 Tolérance altimétrique (m) Ta = (f*Ec)/2750

1/8 000

e

1/14 500

e

1/20 000

0.40 m

0.72 m

1.00 m

0.44 m

0.80 m

1.1 m

e

2

Ces tolérances sont moins sévères que celles relatives au canevas photogrammétrique , ce qui est naturel. Ceci implique qu'il peut être très utile, surtout lors de l'interprétation des résultats de calculs numériques, de pouvoir discerner les points restitués et ceux qui font partie du canevas : en cas de doute sur quelques points de calcul, par exemple sur le site d'une laisse de crue pour valider ou caler les calculs, il est peut être très avantageux de pouvoir 1

les chiffres sont données pour une focale de 152 mm Etablissement de plans topographiques (par méthodes photogrammétriques) - pièces techniques du e e e dossier de consultation des entreprises - levers au 1/5000 , 1/2000 , 1/1000 - Direction des routes, 1991

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sélectionner ceux des points du modèle numérique de terrain qui sont caractérisés par une tolérance plus fine (cf. R13). ●

Travaux complémentaires au sol

Il s'agit de levés destinés à compléter la restitution (zones non visibles en vol), éventuellement complétés par des levés d'éléments particuliers à spécifier dans la 1 commande. Dans le document , il est conseillé de spécifier à la commande une tolérance au moins égale à celle de la restitution photogrammétrique pour les levés de zones partiellement restituées, ce qui suppose que ce n'est pas trop sévère par rapport aux tolérances usuelles pour les levés terrestres. Pour le nivellement au sol des voies de communication et points e caractéristiques, la tolérance proposée est de 10 cm pour des plans au 1/5000 , et de 5 cm e e pour des plans au 1/2000 ou au 1/1000 . Les autres levés sont à traiter comme une commande exclusive de levés sur le terrain, dont les caractéristiques sont décrites dans les annexes A4, A5, F3, F4. Rappelons que le coût des levés terrestres est au moins cinq fois plus important que l'évaluation équivalente par stéréorestitution : on mesure l'importance de la programmation du plan de vol dans une période ou il y a le moins possible de zones de terrain non directement visibles (végétation, nuages,…). ●

Restitution numérique du plan et fichiers des coordonnées des points

Ce sont les dernières étapes de spécifications de la commande de photogrammétrie. Il peut être intéressant de spécifier un format de fichiers facilement ou exactement compatible avec les fichiers d'entrée du logiciel de simulation numérique (cf. R14). ●

Orthophotographie

Il est important de connaître la nature des données issues d'orthophotographies, en particulier parce que, ce procédé étant moins cher que la stéréophotographie, il peut être tentant pour le maître d'Ouvrage de proposer cette nature de données aux services chargés des modélisations, sans en mesurer les conséquences. L'orthophotoplan est un plan issu d'une méthode de photogrammétrie basée sur l'utilisation d'un seul cliché à la fois. L'image est redressée à partir de l'information a priori de 2 la forme géométrique du site, indispensable à toute restitution de ce type . Il est question dans cette technique de l'altitude des points par rapport à des plans virtuels définis dans l'espace et issus de manipulation géométriques : à ne pas confondre avec l'altimétrie réelle. Il est clair qu'un seul cliché métrique est insuffisant pour reconstituer un objet tridimensionnel. Les orthophotoplans, ne fournissant pas d'information altimétrique précise des points, sont donc inexploitables pour les simulations numériques en hydraulique. Ils peuvent cependant être efficacement utilisés en fond de plan cartographique pour l'exploitation et la présentation de résultats de modélisation. A ce propos, signalons que le coût d'une série d'orthophotoplans pour un site donnée peut atteindre 30 à 40% du coût de la campagne de photogrammétrie. De plus, il existe une BD de l'IGN (BD Ortho) qui pourrait répondre aux même besoins. ●

Coût, précautions, utilisation, limites de la photogrammétrie

Le coût d'une commande de stéréophotogrammétrie est évidemment variable en fonction de l'échelle des plans demandés, de l'amplitude des levés terrestres, de la configuration du 3 site,… Un ordre de grandeur fourni par le document et l'expérience montrent que pour une e campagne de photogrammétrie au 1/5000 , il faut compter entre 30F et 120F/ha. Ce coût est 1

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e

e

quatre fois plus élevé au 1/2000 et douze fois plus élevé au 1/1000 . L'ampleur de la fourchette de prix est due aux spécificités de la commandes, en particulier vis-à-vis des levés terrestres et, dans une moindre mesure, de la densité des points restitués. Le recours à la photogrammétrie est donc réservé à l'acquisition de données indispensables avec une précision assez fine pour des calculs numériques réalistes. En exemple de ratios réalistes en coûts, on peut citer : 40% pour vol et stéréopréparation, 30% pour la restitution, 20% pour les levés terrestres (dans le cas où ils sont minimisés) et 10% de bathymétrie. Ce coût est plusieurs fois supérieur à celui d'une base de données fiable comme la BD TOPO, mais il ne s'agit pas de la même gamme de précision (métrique au mieux pour la BD TOPO). De plus, il faut remarquer que dans le cas de la photogrammétrie, la superficie de la zone à mesurer est ajustée, la densité des points peut être localement augmentée lors de la phase de stéréorestitution et les levés terrestres destinés à des mesures de détails peuvent être insérées dans la phase de levés terrestres destinés au complément des zones partiellement restituées. Dans le cas d'une base de données, il peut être nécessaire d'acheter plusieurs feuilles dont la somme des superficies est supérieure à celle de la zone à mesurer, et le complément de données à effectuer par levés terrestres peut atteindre un surcoût conséquent. Etant donnée l'ampleur du travail, la commande de données requiert des spécifications précises, contenant des phases planifiées de concertation (contrôle du plan de vol, préparation de la campagne terrain,…). Les paragraphes précédents reprennent le plan de ces 1 2 spécifications, mais plusieurs détails sont à formaliser : les documents et fournissent des modèles très utiles avec commentaires. Avant l'élaboration des spécifications et lors de l'interprétation des résultats de simulations numériques, il est fortement souhaitable d'analyser les conséquences des précisions et tolérances spécifiées, en particulier il faut noter les commentaires suivants : - les précisions / tolérances, calculées via les formulations données plus haut, sont fonction de l'échelle des clichés et non des plans numérisés à fournir. Par exemple, si les prises de e vues sont effectuées à l'échelle 1/14500 , elles conviennent à l'élaboration de plans au e e 1/5000 comme au 1/2500 . Dans les deux cas, la tolérance des données est d'environ 0.8 m (précision de 0.3 m, cf. R10). Pour l'utilisation de modèles numériques, c'est bien l'échelle des clichés qui est à considérer. - pour l'utilisation des données en vue de simulations numériques, une échelle de clichés au e moins égale à 1/10000 semble indiquée. En effet, ceci conduit à une tolérance d'environ 50 cm pour chacune des trois coordonnées, ce qui correspond à une précision (au sens propre, cf. R10) d'environ 20 cm. Les domaines de variation des coordonnées sont donc de 40 cm pour environ 70% des données et de 1 m pour environ 30% des données. Le coût d'une campagne de photogrammétrie est tel que pour une échelle de clichés trop faible, l'intérêt de la précision médiocre obtenue est contestable; - la considération de l'une ou l'autre des tolérances prise indépendamment ne permet pas de définir à elle seule les limites d'un domaine de l'espace dans lequel un point peut être réellement situé. Pour cela, il faut imaginer un parallélépipède dont le centre de gravité est situé à la position mesurée, avec trois dimensions données par environ 2 fois la tolérance en planimétrie pour les côtés de sa base, et 2 fois la tolérance en altimétrie pour sa hauteur(cf. R10). Ainsi, affiner la précision en altimétrie peut être inutile si cette précision n'est pas affinée aussi en planimétrie (imaginons une crête de falaise par exemple). - Il faut faire la distinction entre précision (ou tolérance) et densité de l'information : selon les objectifs à atteindre au terme des calculs numériques, une tolérance faible ne remplace pas une trop faible densité de points, et inversement (cf. R11) - il est à rappeler que lors de l'interprétation des résultats de simulations ou du calage (premiers calculs), il peut être très utile de discerner les points stéréorestitués des couples et 1

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points du canevas photogrammétrique (précision plus fine). On peut faire figurer dans les spécifications la fourniture d'un plan précisant la position en plan de ces points (coût négligeable par rapport au coût global); - Il n'est pas utile de faire figurer dans la commande l'élaboration des plans si un autre moyen est disponible pour servir de fond de plan (rasters IGN par exemple) pour l'interprétation et la valorisation des résultats numériques. Les fichiers de coordonnées dans l'espace sont seuls nécessaires à la modélisation, et pourraient d'ailleurs être éventuellement utilisés ultérieurement pour en tirer des plans numérisés. - des données issues de campagnes photogrammétriques ne sont susceptibles d'être utiles en modélisation numérique 1D que lorsque le lit majeur doit être décrit. Ces données ne sont donc utiles que lorsque l'étude 1D est relative à un lit majeur actif (débordements) et/ou avec des zones de stockage, ou bien lorsque le modèle 1D est à casiers, ou encore lorsque des calculs de zones inondables sont effectués via des post-processeurs à partir d'une modélisation filaire. Une commande systématique en vue de calculs 1D ne semble donc pas fondée a priori. Cependant, si des données de photogrammétrie ou des prises de vues aériennes sont disponibles, il est bien sûr fortement recommandé de chercher à les exploiter. - enfin, il faut remarquer qu'un minimum de levés terrestres, outre les zones restituées partiellement, sont toujours nécessaires.

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A3

Scrutation par Laser aéroporté - ALS

Cet état des lieux a été dressé en compilant les documents suivants : http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Launchpad/8806/lasc/part1.htm, le rapport de stage au laboratoire de Photogrammétrie de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne de ème année et le rapport de stage de DEA traitant de Benjamin Ferrand, ingénieur IGN 3 l’évaluation des données laser de Omar Ouldelala effectué à l’IGN. Ces réflexions ont de plus été complétées par un entretien avec Olivier de Joinville, responsable des activités Laser Aéroporté au laboratoire de recherche MATIS de l’IGN.

A3.1. PRINCIPES GENERAUX A3.1.1.Fonctionnement Le système laser scanner est un système aéroporté de mesure de points 3D au sol. L’application majeure qui en découle permet la réalisation rapide de Modèles Numériques de Terrain (MNT) et de modèles Numériques de Surface (MNS).

Figure 1 Principes généraux de fonctionnement du laser aéroporté

Le système laser scanner est essentiellement constitué d’un télémètre laser mesurant sans réflecteur la distance entre l’avion et le sol par calcul du temps de propagation d'une impulsion laser (Cf. Figure 1). La mesure du temps de propagation de l'impulsion laser a plusieurs avantages, elle permet une très haute fréquence de mesure (jusqu'à 80 kHz) et de plus permet de retenir la dernière réflexion de l'impulsion pour la mesure de la distance.

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A3.1.2.Applications Cette propriété des multi-réflexions est très importante pour la mesure de M.N.T. en zone boisée, en effet une impulsion peut subir avant d'atteindre le sol plusieurs réflexions sur la couverture végétale, il est évident que pour ce type d'application, c'est souvent la dernière réflexion qui sera intéressante. C’est un avantage capital en zone forestière par rapport aux MNT calculés par photogrammétrie qui mesure les altitudes au sommet des arbres et non au sol.

Figure 2 Réflexions multiples du laser

La végétation n’est pas le seul objet « obstacle » à la surface du sol mis en valeur. Les lignes électriques pourront également être facilement détectées. Cette détection fait l’objet d’une application spécifique de suivi de corridors afin de pouvoir repérer les obstacles pouvant tomber sur les lignes à haute tension. Les bâtiments de par leurs façades verticales seront restitués de la manière suivante : Si un rayon atteint le bord d’un objet vertical, ou présentant une pente supérieure à l’angle de ce rayon, alors les coordonnées du premier et du dernier échos seront sensiblement différentes. En effet, le faisceau est certes peu divergent, mais arrivé au sol, il « éclaire » une surface de type ellipse (l'ellipse est d'autant plus "allongée" que l'angle de balayage est grand et l’altitude de vol élevée) d’un diamètre moyen de l’ordre d’une vingtaine de centimètres. Il peut être alors réfléchi en partie par la partie supérieure de l’objet, et en partie par le sol.

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1er écho

dernier écho

MNE 1er écho

MNE dernier écho X Figure 3 Influence des 1er et dernier échos sur la forme d'un bâtiment restitué

Le schéma de la Figure 3 illustre les conséquences de ces échos en limite de toit sur la géométrie du bâtiment. Sur la carte d’altitude du dernier écho, l’emprise planimétrique du bâtiment sera plus grande que celle pour le premier écho. Pour fixer les idées : un bâtiment de hauteur 10 mètres engendrera un #X de 1.20 mètres pour un angle de balayage de 7° un bâtiment de hauteur 10 mètres engendrera un #X de 1.80 mètres pour un angle de balayage de 10°

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A3.2. LES DIFFERENTS SYSTEMES SUR LE MARCHE Le tableau ci-dessous compare quelques caractéristiques des systèmes les plus répandus. ALTM 2033

Système

TopoSys II

Fabricant

TopoSys Optech GERMANY CANADA

temps de propagation Méthode de d'une mesure impulsion laser Information points 3D fournie par le et système réflectance Longueur 1535 nm d’onde du laser Fréquence 83 kHz acquisition

Laser

Fréquence 630 Hz balayage

ALTM 3033

AeroScan TopEye

Toronto

Azimuth USA

Saab SUEDE

temps de propagation d'une impulsion laser

temps de propagation d'une impulsion laser

points 3D réflectance

points 3D

et

1047 nm 33 kHz

1064 nm 50 kHz

15 kHz

28 Hz pour un angle de balayage Jusqu’à de 40°. 50 Hz 99 Hz pour 10°

Miroir en rotation et Type de fibres Miroir Oscillant : balayage optiques : lignes en zig/zag lignes parallèles Angle de 14° 0 à 40° balayage 500 à 2000 Altitude de vol 60 à 1600m option 3000m et 6000m Nb d’échos First+last First+last reçus par pulse Densité de 5 points par 2 1 point par 2.6 m 2 points m

Quelques prestataires de services recensés : www.eurosense.com Pays Bas www.aerodata-surveys.com Belgique www.fugro-inpark.nl Pays bas www.geographia.se Suède http://www.aeroscan.com/ Canada http://www.terraimaging..nl Pays Bas

6 kHz

Jusqu’à 25Hz

ATM II

ScaLARS

NASA

Institut pour la Navigation de Stuttgart GERMANY

temps de propagation mesure de d'une déphasage impulsion multifréquence laser points 3D et points 3D valeur de réflectance 523 nm

1064 nm

2 à 10 kHz

7 kHz

20 Hz

Miroir Oscillant : Miroir en Miroir lignes en rotation rotation zig/zag 1 à 75°

0 à 40°

305-6100 150-730m m 5

30°

28° à 40°

700 m

750 m

en

First+Last 1 point par 1 à 4 points 1 point par 4 2 2 2 4m par m m

www.eaglescan.com USA www.terrapoint.com USA www.topscan.de Allemagne www.toposys.com Allemagne www.fotonor.no Norvège

A3.3. ERREURS POSSIBLES LORS DE L’ACQUISITION DE DONNEES Plusieurs erreurs peuvent altérer les mesures lors de l’acquisition de données par système laser. Certaines sources d’erreur sont d’ailleurs les mêmes que celles rencontrées avec la photogrammétrie. Elles sont inhérentes à tout système d’acquisition aéroporté.

A3.3.1

Erreurs provenant du scanner lui-même :

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Les différents paramètres qui peuvent avoir une influence sur la mesure laser sont le rapport signal/bruit, la longueur d’onde, les composants atmosphériques au moment du vol, la clarté de la surface au sol qui peut avoir une influence sur la réflectance. Malgré ces sources d’erreur, les systèmes laser assurent une grande fiabilité dans la mesure des distances. (environ 15 cm à 1000 m d’altitude).

A3.3.2

Influence d’une erreur planimétrique sur une erreur altimétrique

La pente du sol au voisinage de l’impact (Cf. Figure 4) entraîne des erreurs altimétriques. Les erreurs commises sur le positionnement planimétrique du point mesuré entraînent une erreur sur la cote altimétrique d'autant plus importante que la pente est forte (comme en photogrammétrie) : exy l'erreur commise en planimétrie, p la pente du terrain, e = tg(p).exy e l'erreur en altimétrie,

Figure 4 Influence d'une erreur planimétrique sur la cote altimétrique

A3.3.3

Influence de la taille de l’impulsion laser au sol en cas de fortes pentes

La divergence du faisceau laser a un impact sur la taille de l’empreinte au sol et par conséquent sur la qualité altimétrique (cf. Figure 5). La taille de l'impulsion laser au sol (entre 0,25m et 1,5m suivant le système et la hauteur de vol) entraîne une erreur sur la cote altimétrique d'autant plus importante que la pente est forte. Cette erreur provient du fait que la distance de l'avion au sol est obtenue à l'aide du premier ou du dernier retour de l'impulsion laser. e = tg(p).d/2 avec : d le diamètre de l'impulsion au sol.

Figure 5 Influence de la taille de l'impulsion laser sur la cote altimétrique (un faisceau oblique serait plus proche de la réalité, ici le faisceau est vertical et l’erreur est alors minimale)

A3.3.4

Erreurs provenant du GPS et de l’INS

L’INS ou centrale inertielle est un appareil qui mesure les trois angles d’attitude de l’avion : lacet, roulis, tangage lors de l’émission laser. Les erreurs GPS sont réduites par l’utilisation du mode différentiel, c’est la raison pour laquelle le récepteur situé sur la borne de référence (Cf. Figure 1) doit être situé à proximité de la zone de vol. L’INS génère principalement des erreurs planimétriques qui peuvent avoir un grand impact sur les erreurs altimétriques surtout en zone urbaine où l’on rencontre souvent des façades verticales. Compte tenu que la dérive de l’INS est proportionnelle au carré du temps, des CETE Méditerranée


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erreurs dans les angles d’attitude (roulis, tangage, lacet) peuvent être observées à la fin de longues bandes de vol.

A3.3.5

Erreurs d’interpolation

La fréquence d’acquisition des données GPS et INS (respectivement 2Hz et 100 Hz) étant nettement plus faible que celle des données laser (jusqu’à 83kHz), il faut effectuer en permanence des interpolations dans les paramètres de géoréférencement du rayon laser pour chaque visée au sol.

A3.3.6 Erreurs dans la transformation des coordonnées géographiques vers les coordonnées cartographiques : Cette erreur se produit rarement, le passage des cordonnées en Lambert vers des coordonnées en WGS 84 étant une opération bien maîtrisée.

A3.3.7

Echos parasites

Le système laser peut également produire des points aberrants. Parfois le premier écho ne remonte pas en direct vers l’avion mais il est réfléchi sur le sol et ne remonte qu’ensuite vers l’avion. Le temps donné est ainsi plus long et l’altitude fausse. Ces points aberrants, situés nettement en dessous de l’altitude moyenne du sol, sont en général bien repérés par les algorithme de filtrage.

A3.3.8

Défauts de représentation des contours de bâtiments

Les bords des bâtiments apparaissent crénelés, ceci est dû au système laser lui-même qui, dans le cas spécifique du capteur de la Société Toposys, donne plus de points dans le sens longitudinal (20 cm d’espacement) que latéral (1.2 m d’espacement). Selon la trajectoire de l’avion par rapport à l’orientation des façades des bâtiments et suivant que l’on est ou non dans une zone de recouvrement, les interpolations calculées à partir des points bruts plus ou moins espacés, génèrent des bords irréguliers (Cf. Tableau 1).

Projection des points bruts laser (lignes noires) sur Extraction du MNS laser du contour extérieur du le MNS de référence (© TopoSys, IGN) même bâtiment (© TopoSys, IGN) Tableau 1 Contour extérieur bâtiment

C’est pourquoi en site urbain, il faudra préférer le système laser qui présente des angles de balayage les plus faibles possibles c’est à dire 10° et moins si possible et avoir des taux de recouvrement suffisamment élevé (60%) pour densifier au maximum les mesures au sol.

A3.3.9

Erreurs liées à l’angle de balayage du scanner

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Angle du scanner

Parties cachées Figure 6 Impact de l'angle de scanner

La Figure 6 illustre bien le fait que plus l’angle est important plus la partie de terrain occultée est grande.

A3.4. COMPARAISON LASER ET IMAGE Le levé laser et la photogrammétrie ont chacun leurs avantages. Ce paragraphe a pour but de détailler, dans chaque domaine les points forts et les faiblesses du levé laser, par rapport aux méthodes fondées sur l’image.

A3.4.1 Précision, densité de points La précision du système laser dépend de la densité des points relevés. Mais, d’une manière générale, ce n’est pas tellement la précision qui va départager le laser et la photogrammétrie, mais plutôt les capacités de chacun des deux systèmes à restituer la troisième dimension dans telle ou telle zone. Les méthodes photogrammétriques traditionnelles permettent de limiter le levé de points au minimum nécessaire, par un choix raisonné de leur distribution. Ainsi, par la saisie de lignes de ruptures, beaucoup d’autres saisies inutiles sont économisées, tout en améliorant nettement la précision du MNT résultant. Cependant, selon le type de terrain (en particulier en forêt), le laser va permettre de mesurer des points qui, par photogrammétrie, auraient été, soit mal, soit non mesurés. Dans la méthode laser scanner, la densité de points dépend du système utilisé, la distance moyenne entre points varie entre 0,25 m et 3 m. La photogrammétrie à très grande échelle permet quant à elle de mesurer des points espacés de 0.10 m. Les développements futurs des systèmes laser scanner permettront sûrement d'obtenir une densité de points plus importante ainsi qu’une répartition au sol plus régulière. Se posera alors le problème de la gestion d’une telle quantité de données car un écart moyen entre points de 0,25 m correspond déjà une densité de points de l'ordre de 160 000 points à l'hectare. De plus, les techniques laser génèrent une quantité de données dépassant souvent les limites des logiciels utilisés actuellement, ce qui oblige à les scinder en de nombreux lots. Peu de logiciels sont aujourd’hui prêts à traiter de tels volumes de données. Cependant, les évolutions informatiques des prochaines années vont certainement permettre d’améliorer les processus et les vitesses de traitement.

A3.4.2 Extraction de lignes caractéristiques La méthode laser scanner livre un nuage de points sans autre indication, et donc pas de lignes caractéristiques. En terrain dégagé avec une densité de 5 points par m2 un processus d'extractions automatiques des lignes caractéristiques peut aboutir sans problème. En zone boisée, la densité après éliminations des points de végétation est encore insuffisante pour envisager de telles extractions mais une augmentation significative de la densité de points dans les systèmes futurs permettra sûrement de renforcer la qualité des résultats obtenus à l'aide de ce genre d'algorithmes. CETE Méditerranée


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En photogrammétrie, une restitution manuelle permet sans problème d'extraire tous les éléments géomorphologiques du terrain. Une prise en compte de ces lignes dans un calcul ultérieur de M.N.T. permet d'améliorer grandement la précision de l'interpolation. En photogrammétrie numérique automatique (corrélation automatique), on obtient comme avec la méthode laser scanner un nuage de points. La densité de points obtenue permet également une extraction automatique des lignes caractéristiques.

A3.4.3 Influence du type de relief et de surface

Figure 7 Précision de la méthode laser scanner en fonction de la pente

La Figure 7 traduit le fait que la photogrammétrie semble plus stable en cas de fortes pentes. Les mesures laser sont dites pratiquement indépendantes de la texture du sol. Cependant, pour les routes récemment asphaltées et pour les cours d’eau, la quantité d’énergie réfléchie n’est pas suffisante pour assurer la fiabilité de la mesure de la distance. En effet, si l’énergie de retour est très faible, il pourra y avoir des trous et le MNS dérivé sera de très mauvaise qualité. La pénétration du laser à travers la végétation permet d’atteindre le sol en milieu forestier. De telles mesures sont très problématiques, voire impossibles par photogrammétrie. Pour le laser, il faut cependant qu’il n’y ait pas ou peu de feuilles aux arbres, cela suppose donc que le vol soit effectué de la fin de l’automne au début du printemps. Comme la pénétration dans la canopée n’est que partielle, l’utilisation des échos multiples permet d’acquérir à la fois le modèle du sommet de la forêt et le modèle du sol.

A3.4.4 Degré d’automatisation Le levé laser peut être considéré comme une méthode « directe », dans la mesure où les coordonnées de tous les points sont obtenues par simple calcul. L’obtention d’un MNT, que ce soit par levé laser ou par corrélation automatique, demande toujours un important contrôle, et éventuellement une édition manuelle de certains points pour éliminer les points aberrants et pour caler les bandes entre elles et le modèle par rapport au terrain. Moins une méthode fait appel à un opérateur humain, plus il faut de mesures pour aboutir au même MNT. Le laser est certes la méthode la plus automatisée, mais en contrepartie le nombre de points est très élevé, et la plupart n’ont pas d’intérêt. Le levé laser opère « en aveugle », et ne tient donc pas compte des lignes de rupture et de structure du paysage. Cette saisie s’opère par contre couramment en photogrammétrie. Or la prise en compte de ces éléments caractéristiques améliore beaucoup la précision des interpolations dans le MNT résultant. La méthode laser scanner est entièrement automatisée jusqu'à l'obtention du M.N.T. La photogrammétrie a un taux d'automatisation moins élevé du fait d’un travail de terrain indispensable (stéréopréparation) mais la procédure d'obtention d'un M.N.T. est peut être moins rapide et ce, de par la plus grande complexité des données et des algorithmes CETE Méditerranée


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d’appariement. Dans le cadre des modélisations hydrauliques de rivières, il manque toujours les profils en travers bathymétriques qui nécessitent des levés terrestres complémentaires et des visites de terrain.

A3.4.5 Conditions de vol Le système laser scanner est actif dans les proches infra rouge, le vol de nuit ou de jour est donc sans importance. Il convient cependant d’éviter de voler au dessus d’une couverture nuageuse. La photogrammétrie est un système passif utilisant le soleil comme source de rayonnement, le vol de jour à des heures d'ensoleillement favorable (matin ou après-midi pour avoir des ombres) est donc requis. Les nuages sont un désavantage pour la mesure laser scanner comme pour la photogrammétrie. Pour la méthode laser scanner en zone boisée il sera préférable, si le choix est possible de survoler la zone entre l'automne et le printemps pour obtenir un coefficient de pénétration optimal. En effet, il est préférable d’effectuer le vol du mois de Novembre à Avril, afin de bénéficier de l’absence de feuilles sur les arbres comme en photogrammétrie d'ailleurs. Le survol du terrain recouvert d'une fine couche de neige permet d'améliorer sensiblement le retour des impulsions laser.

A3.5. COMPARATIF DES COUTS ET PRECISIONS DES TECHNIQUES PHOTOGRAMMETRIQUES ET LASER Le tableau suivant rassemble les ordres de grandeur de prix pour 3 gammes de précision. Ces chiffres sont issus de différents projets réels et ne sont valables que pour de grandes surfaces à traiter. Echelle plan

Grandes Echelles Moyennes Echelles Petites Echelles

1/2 000 à 1/5 000 1/5 000 à 1/25 000 1/50 000 à 1/100 000

Coût par laser au km² [€] 580 250 25

Coût par photogrammétrie au km² [€] 500 270 200

Pour une comparaison plus fine avec les techniques photogrammétriques, il faudrait tenir compte du fait que les images sont utilisées pour d’autres buts que les MNT et donc mieux répartir les coûts. Précision Laser 1/10 000° Photogram 1/10 000° Planimétrique 10 à 20 cm 20 cm Altimétrique 5 à 30 cm 20 cm Ces valeurs ne sont pas validées, elles sont issues d’informations diffusées par des fabricants ou des bureaux d’études utilisant le laser. Il s’agit donc d’une estimation. Ces chiffres sont à prendre a priori comme des minima.

A3.6. RETOURS D’EXPERIENCES ACTUELS ET ATTENDUS

!Dans le cadre d’un relevé des zones inondables de la Loire, la DIREN Centre a commandé un relevé de ces zones par méthode du laser, sur une surface de 1800 km2 du Bec d’Allier à Nantes. Un retour d’expérience est prévu vraisemblablement courant 2003 Dans l’état actuel des choses, les premières recommandations recueillies sont les suivantes : CETE Méditerranée


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Il faut prévoir un serveur de stockage de ces mêmes données, conséquent : environ 5 GO de mémoire pour 10 km2 de chantier . Il faut spécifier un format et un type de données validées et préciser le type de validation. Des données brutes issues du vol c’est à dire des temps seraient impropres à une utilisation directe. D’autre part, il faut spécifier si l’on désire le MNE (Modèle Numérique d’Elévation) issu du premier écho et/ou du dernier écho et si on désire un pré-traitement tel que l’élimination de la végétation et des bâtiments. Il faut insister pour bien connaître les méthodes d’interpolation utilisées pour créer le MNS dérivé, afin d’avoir une idée de la qualité géométrique de ce dernier. Il convient également de connaître la méthode utilisée pour faire le recalage interbandes ainsi que le calage des points laser sur des points d’appui. Il faut connaître la méthode utilisée par les prestataires de services pour leur contrôle qualité, en sachant qu’il faudra leur fournir au préalable des points altimétriques et planimétriques pour caler le modèle.

!Sur la ville d’Amiens (zone urbaine de 5km sur 2km) , une mission par laser aéroporté a été effectuée en février 2002 par la société Toposys au profit de l’IGN. L’objectif de cette mission était de pouvoir comparer un MNS issu du laser et un MNS issu de la base de données TRAPU® de l’IGN sur la même zone d’Amiens. L’autre but était également de pouvoir appréhender les données laser en site urbain en les comparant avec des données de référence (Cf. Figure 8). La base de données TRAPU® est constituée de trois types d’objets : des volumes, des faces et des graphes : Volume

Face

Graphe

A partir de TRAPU® un MNS est construit, en créant une grille avec des nœuds espacés de 20 cm (égale à la résolution de l’image). Pour chaque nœud de la grille, l’altimétrie est augmentée par incrément de 10 cm à partir de l’altitude initiale jusqu’à intersecter une face correspondante. La face détermine un plan et l’intersection d’une droite avec un plan donne un point en 3 D dont on récupère le Z. Zones travail Zone6

de

Image caméra numérique

MNS LASER

MNS TRAPU®

Figure 8 Comparaison des MNS Laser et TRAPU® (©Toposys, IGN)

Avec la légende des couleurs ci-dessous :

Les caractéristiques du chantier d’Amiens (15/02/02) CETE Méditerranée


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Hauteur de vol :1000m/sol Angle de balayage : +ou- 7° Résolution de 50cm, soit un écart entre les points de 1.2 m dans le sens du vol et de 0.2 m 2 dans le sens transversal soit environ 4 points au m 2 Données de 5 GO de mémoire pour une zone 10 km comprenant 15 bandes de vol Taux de recouvrement interbandes : 60% Les rapides conclusions que l’on peut tirer de cette expérience sont les suivantes : le niveau de détail des levés laser est nettement supérieur au MNS TRAPU®, par contre les contours de bâtiments ne sont pas rectilignes sur les images laser. De plus le MNS laser est beaucoup plus lissé que le MNS TRAPU® qui respecte parfaitement les ruptures de pente.

A3.7. CONCLUSIONS ACTUELLES Les techniques photogrammétriques classiques sont encore aujourd’hui les plus faciles à mettre en œuvre et les plus précises, après les méthodes dites terrestres, les processus manuels étant bien maîtrisés. Le levé laser fait encore figure d’innovation et son processus d’acquisition de données laisse encore sceptique nombre de donneurs d’ordre. La photogrammétrie et le levé laser doivent être considérés comme des techniques complémentaires plutôt que concurrentes. Leur combinaison peut conduire à une meilleure précision. Par exemple, les mesures laser peuvent être enrichies par la saisie de lignes caractéristiques par des levés photogrammétriques. De toute façon, même si les MNT sont levés par laser, il faudra toujours assurer une couverture photographique (pour des produits comme les orthophotos) et des levés terrestres complémentaires. L’étude de la complémentarité des deux techniques fait d’ailleurs partie des thèmes de recherche que l’IGN développe actuellement. En ce qui concerne les études hydrauliques, il semble qu’en l’état actuel des choses, il n’est pas recommandé d’effectuer les levés par la technique du laser, du moins pour les grandes échelles ; ceci pour trois raisons majeures : les précisions annoncées ne sont aucunement validées le coût du laser rejoint très vite le coût de la photogrammétrie pour les échelles couramment utilisées en hydraulique à savoir 1/2000 et 1/10000 (cf. § 5). Les levés laser compatibles avec ces échelles nécessitent l’emploi de vecteurs très lents (hélicoptères) qui augmentent considérablement le coût du vol. Sur les levés laser, il manque les lignes caractéristiques du terrain, qui sont primordiales pour les études hydrauliques, quand il s’agit notamment d’évaluer finement les débits de stockage ou d’écrêtage des crues d’un barrage réservoir ou encore les points bas des berges à l’origine des débordements d’un canal par exemple.

A3.8. PERSPECTIVES Il pourrait être intéressant de contacter nos homologues belges, hollandais et allemands qui exploitent les données laser pour la gestion des rivières, enjeu majeur de ces pays à la topographie peu prononcée. Aux Pays Bas, il est fréquent d’utiliser des données laser par hélicoptère (vol lent : 50 km/h) 2 avec une densité de 7 points/m et une fréquence d’acquisition de 8 kHz. Pour la gestion et l’aménagement des rivières, la précision des cotes du terrain naturel est primordiale. Les belges utilisent des données laser avec une résolution inférieure à 50 cm soit 2 plus de 5 points au m . Dans le cadre des modélisations numériques, il serait intéressant de connaître leur point de vue et leur manière de gérer cette quantité de données. L’ultime étape dans la connaissance du terrain serait de pouvoir combiner le relevé des cotes terrestres et des cotes bathymétriques. En une manipulation, on bénéficierait de la connaissance du terrain naturel et du terrain submergé. La plupart des levés terrestres au coût élevé seraient limités. Il faudrait cependant prévoir un suivi régulier de l’évolution bathymétrique. La Wallonie s’est déjà engagée dans cette voie puisqu’elle a entrepris le MNT de l’ensemble de CETE Méditerranée


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ses cours d’eau soit une longueur de 2000 km sur une surface de 800 km . La topographie du lit majeur a été effectuée par levé laser et la bathymétrie du lit mineur par levé sonar multifaisceaux embarqué sur un navire. La combinaison de ces deux techniques donne la connaissance numérique précise des vallées et sert de base aux modèles hydrauliques chargés d’annoncer des prévisions de hauteur d’eau et de zones inondées en temps réel.

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A3.9. GLOSSAIRE LASER ALS INS

MNE MNS MNT

Airborne Laser Scanning : désigne le levé laser aéroporté. Inertial Navigation System : centrale inertielle. Elle permet la mesure des 3 angles ω,κ,ϕ décrivant l’orientation d’un repère mobile par rapport à un repère fixe. Terme anglais désignant le levé laser. LIght Detection And Ranging : autre appellation du levé laser. Ligne représentant sur le terrain un changement de pente brutal. Ex : limite inférieure du talus bordant une route ou un cours d’eau. Laser Range Finder : Télémètre mesurant la distance entre le système laser et le point visé au sol. Modèle numérique d’élévation : prend en compte le sursol. Modèle Numérique de Surface (même idée que MNE) Modèle numérique de Terrain.

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Laser Scanning LIDAR Ligne de rupture LRF

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A4

Levés terrestres / Théodolite & Tachéomètre

Pour les levés à grande échelles, des levés terrestres sont toujours nécessaires. Même lorsque des mesures sans contact peuvent être effectuées (photogrammétrie par exemple, cf. A2), il y a toujours une part de levés terrestres complémentaires. Les levés terrestres sont aujourd'hui très souvent effectués par GPS, avec un procédé associé dans des zones submergées (cf. F5, F6). Mais le GPS ne peut constituer l'instrument universel à cause de ses limites d'utilisation (cf. A5), en particulier dans les zones à fort couvert végétal ou très urbanisées. Les levés "traditionnels" (dits "optiques", mais ce terme est aussi applicable à la photogrammétrie et à l'ALS) ont encore de beaux jours devant eux. Nous laissons de côté les instruments qui aujourd'hui ne sont plus ou très rarement utilisés, comme la planchette ou le disque et la chaîne, pour présenter le principe des mesures au théodolite / tachéomètre, qui ont très largement bénéficié des derniers progrès technologiques. A4.1 PRINCIPE Les détails liés aux techniques utilisées par les géomètres sont complexes et ne sont pas utiles pour avoir une idée générale des contraintes liées à ces mesures. Nous nous limitons donc aux principes généraux, très résumés. De manière générale, on peut situer un point dans l'espace de deux manières. Soit on effectue deux visées de la même cible à partir de deux points dont les coordonnées sont connues en mesurant les angles, soit on effectue une seule visée, mais en mesurant d'une part les angles et d'autre part la distance entre le point de visée et la cible.

Mesure d'angles Mesure d'angles Points de référence

Repérage de la position d'un point par deux mesures d'angles

Mesure d'angles + Mesure de distance

Point de référence Repérage de la position d'un point par une mesure d'angles et une mesure de distance

Les coordonnées des points à partir desquels sont effectuées les visées ont été euxmêmes déterminées au préalable, à partir d'autres points eux-mêmes situés dans l'espace, et ainsi de suite. C'est-à-dire que les coordonnées des points intermédiaires sont définies de manière relative à d'autres coordonnées. Les points dont les coordonnées sont définies de manière absolues, qui servent de référence aux calculs (effectuées a posteriori), sont ceux d'un canevas de base. Celui-ci est constitué des bornes géodésiques IGN si elles existent dans ou proche de la zone des levés, et d'un canevas complémentaire élaboré par le géomètre au préalable (cf. A4.2). Les mesures d'angles et de distances sont effectuées à partir de stations (le lieu des CETE Méditerranée


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points de visées), qui appartiennent à un réseau de cheminement. Ces stations sont le dernier élément d'un canevas qui, si le levé est d'une certaine étendue, comprend de la triangulation cadastrale ou complémentaire, l'ensemble étant rattaché au canevas géodésique s'il existe. Les cheminements principaux suivent en général les grandes lignes de la planimétrie (routes, voies ferrées, rivières,...) pour déterminer des mailles de quelques centaines d'hectares.

Point de référence canevas national

canevas primaire du géomètre

Exemple de cheminement

canevas secondaire du géomètre

Le travail sur le terrain peut être laborieux et doit être précédé d'un repérage lui aussi sur le terrain (cf. A4.2). Une équipe est constituée a minima d'un manipulateur des théodolites / tachéomètres et d'un ou plusieurs porte-mires, avec éventuellement un croquiseur. Les instruments de mesures modernes sont aujourd'hui des dispositifs intégrés : ce que l'on désigne par "théodolite" est le plus souvent un ensemble muni de niveaux, tachéomètre, goniomètres, visées laser,… à affichages, réglages et repérages automatiques. Ces instruments, éventuellement complétés des classiques fil à plomb, distancemètre laser,… remplacent aujourd'hui, les traditionnels théodolites et tachéomètres mécaniques, planchettes, cercles et chaînes,… La précision des mesures est améliorée en procédant à des mesures multiples (plusieurs cheminements qui se recoupent, doubles retournements / doubles visées, recalage des mesures par fermeture des cheminements,…). Les levés terrestres, s'ils sont effectués dans les règles de l'art, sont tous réputés plus précis que les mesures à distance. Les tolérances (ou précision, cf. R10) peuvent être imposées à la commande via l'arrêté du 21/01/80 (c'est préférable et très classique). Ces valeurs sont précisées dans F3. A4.2 OPERATIONS PRELIMINAIRES AU LEVE Tout levé terrestre est précédé d'une étape sur le terrain, qui permet de définir l'ampleur des étapes du travail et de l'équipe technique. La reconnaissance terrain comporte plusieurs étapes, en particulier : - Recherche de points d'un canevas existant (en particulier national) éventuellement utilisables; - Si nécessaire, établissement d'un canevas complémentaire (cf. A4.2.1); - Repérage des situations les plus favorables pour les cheminements principaux; - Synthèse des diverses contraintes terrain pour déterminer le nombre de techniciens nécessaire (ruptures de pente nombreuses, couvert végétal très dense,… et de manière générale toutes les zones ou la visée optique est difficile). A4.2.1 Exécution du canevas complémentaire Quasiment tous les levés terrestres sont effectués à partir d'un canevas détaillé, complémentaire d'un éventuel canevas existant. La mise en oeuvre d'un canevas complémentaire est aussi nécessaire pour la photogrammétrie, et de manière générale toutes mesures topographiques à distance, pour servir de calage.

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Le canevas est conditionné par : - la nature du terrain; - la nature du levé qui doit se rattacher à ce canevas : levé photogrammétrique aérien (ou terrestre), levé tachéométrique, parcellaire,… -

Sa mise en œuvre comprend toujours a minima les tâches suivantes : Recensement sur la carte des points géodésiques et des repères de nivellement existants; étude analytique du terrain naturel; établissement du projet de trajets de nivellement géométrique destiné à compléter le réseau de repères existant,… levés de chaque point du canevas

A4.3 CONTRAINTES / COUTS A PREVOIR Comme les levés terrestres sont par définition des acquisitions sur le terrain, les contraintes sont celles de la météo, mais aussi de l'accès, pas toujours facile, sous un couvert végétal, dans des zones accidentées,... De plus, le cheminement est nécessaire dans tous les cas d'application. Ceci suppose d'avoir un accès optique entre les stations successives : si le terrain est très accidenté ou végétalisé, il faut un grand nombre de stations. Les coûts sont détaillés dans F3. Ils sont très variables en fonction du terrain, mais aussi : - de la densité de points de profils (cf. R12) : on peut la définir par une distance 3D entre les points ou bien part un écart d'altitude maximum entre deux points consécutifs, ce qui est souvent mieux approprié aux études hydrauliques; - de l'ampleur de la commande : si celle-ci ne concerne que quelques levés dans une même zone, le coût des opérations préliminaires comme l'exécution du canevas (cf. A4.2, A2) est d'une influence majeure sur le coût global (cf.R15) Cette dernière remarque souligne le fait qu'il ne faut pas faire l'économie d'un ou deux profils lorsqu'on en a déjà prévu une dizaine. A l'inverse, lorsque quelques points ou profils sont nécessaires, cela peut être rentable de chercher à dépouiller des données antérieures, même si c'est un peu laborieux

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A5

Levés terrestres / GPS - Global Positionning System

Le système GPS est un système de navigation mondial. Son développement et son entretien sont entièrement financés par les Etats Unis. Le système est constitué de l'ensemble de trois entités : le segment spatial, le segment de contrôle1 et le segment utilisateur.

SEGMENT DE CONTROLE : 5 stations au sol, fixes SEGMENT SPATIAL : 24 satellites (21+3 de secours) en orbite circulaire (période de rotation d'environ 12h). Ils sont positionnés pour qu'à chaque instant, tout point du globe soit vu par 4 satellites au moins (hors masquage) Leur fonction est de maintenir une échelle de temps très fine, émettre des signaux stables en fréquence, recevoir et stocker l'information provenant du segment de contrôle, effectuer des manoeuvres et calculs simples.

A5.1

Leur fonction est de suivre en permanence les satellites puis déterminer leur trajectoire effective et divers autres paramètres, éventuellement de la corriger, et de transmettre cette trajectoire aux satellites pour qu'ils puissent à leur tour envoyer cette information aux récepteurs

SEGMENT UTILISATEUR : Tous les récepteurs GPS. Ils sont munis au minimum d'une antenne et d'un amplificateur de signaux. Ils peuvent être munis de logiciels applicatifs et faire partie d'un système intégré.

Principe

Le principe de la mesure est l'évaluation du temps de trajet de l'onde électromagnétique émise par plusieurs satellites vers les récepteurs. Moyennant des corrections plus ou moins élaborées selon le récepteur, et connaissant la vitesse de l'onde, on peut calculer la distance entre les récepteurs et chaque satellite. La position (et la trajectoire) des satellites étant connue avec précision, ceci permet de calculer la position du récepteur (et éventuellement à sa trajectoire). Le nombre de satellites doit être au moins égal à 4. En effet, chaque satellite fournit une information sur la position du récepteur quelque part sur une sphère de rayon égal à la distance mesurée et sur l'heure à laquelle a été envoyé le signal. La redondance de ces informations permet de réduire la taille de la sphère contenant le récepteur, et donc d'affiner la précision de la localisation.

1

Introduction au GPS, système de positionnement à l'échelle du globe, Leica Geosystems, Version 1.0

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La qualité de la mesure et la durée d'exposition nécessaires dépendent en particulier du nombre de satellites accessibles durant la mesure et de la géométrie de la constellation. En effet, on conçoit intuitivement que selon les configurations géométriques schématisées plus bas, les signaux des satellites S1 à S4 sont plus ou moins riches d'informations. S2 S1

S3

S3

S2

S4

S4

S1

R

R Configuration plus favorable que la figure voisine

Configuration moins favorable que la figure voisine

Le système de référence du GPS : Pour modéliser le phénomène physique de propagation des signaux avec des trajectoires orbitales, il faut définir un référentiel terrestre mondial. C'est un référentiel orthonormé direct dont l'origine est le centre des masses de la terre, le plan Oxy est celui de l'équateur et le plan Oxz est celui du méridien de Greenwich. Ce référentiel est appelé WGS84 (World Geodetic System 84).

z Méridien de Greenwich

y

O x

Les différentes fonctionnalités des GPS : Outre celle qui nous intéresse ici, à savoir la mesure des trois coordonnées du récepteur, la technique GPS peut fournir des données de navigation (trajectoires, guidage,…), des données destinées à une SIG (coordonnées, attributs et codes),… Type de récepteur / type de mesure : Le récepteur est caractérisé par plusieurs propriétés techniques : - monofréquence ou bi-fréquence : la deuxième option permet un gain en précision et en durée d'observation, elle est nécessaire pour des valeurs de précision sub-décimétriques; - monocanal ou multicanaux : la carte multicanaux permet la réception simultanée de plusieurs signaux, avec un gain très important en précision et en durée d'observation; - mesure des codes (distances non corrigées ou pseudo-distances) et/ ou des phases : l'option de mesure des phases permet d'atteindre une précision centimétrique. Le type de récepteur détermine donc en grande partie la précision et la durée des mesures. Le coût correspondant est évidemment très variable. Modes d'utilisation du GPS : Il y a deux modes principaux : le mode absolu et le mode relatif (différentiel). La mesure au GPS en mode absolu s'effectue avec un seul récepteur, qui fournit les coordonnées de son emplacement de manière autonome. Sauf dans le cas d'une durée d'observation de plusieurs heures, la précision est supérieure à plusieurs dizaines de mètres. Les applications courantes sont la navigation de plaisance et la promenade.

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La mesure en mode relatif s'effectue avec deux récepteurs. Il s'agit de la technique DGPS ou GPS différentiel. Le récepteur fixe est la station de référence, dont la position est géoréférencée avec précision et qui est le plus souvent placée à moins de 20 km du récepteur itinérant. On obtient alors une double mesure, qui permet d'éliminer plusieurs paramètres susceptibles de générer des erreurs de mesure. Les corrections issues de la double mesure sont soit prise en compte a posteriori, soit intégrées en temps réel par l'intermédiaire d'une liaison radio entre la station fixe et la station itinérante. La précision est sub-métrique lorsque les récepteurs mesurent des pseudo-distances. Lorsque les récepteurs sont capables de mesurer en plus une information de phase, la précision peut devenir centimétrique. C'est ce mode d'utilisation qui est mis en œuvre pour les mesures topographiques. La position des stations fixes (canevas du géomètre) est généralement mesurée au préalable par réceptions DGPS avec mesures de phases, les deux récepteurs immobiles, avec une durée d'observation souvent comprise entre 5 mn et 30 mn, ou bien au théodolite (cf. A4). A5.2

La technique de mesure à vocation topographique au DGPS

Quelles que soient les techniques, il y a toujours un cheminement avec le récepteur itinérant dans une zone proche du point de référence (souvent inférieure à environ 20 km), comme dans tout levé terrestre. De plus, pour atteindre une précision sub-décimétrique, il faut effectuer une mesure de phase en plus de la pseudo-distance pour chaque satellite. Enfin, les mesures commencent toujours par une étape d'initialisation, en général en mode statique (les deux récepteurs sont fixes). La durée de cette étape varie surtout en fonction du type de récepteur (mono ou bi-fréquence), entre quelques minutes et quelques dizaines de minutes. L'étape d'initialisation est effectuée une fois pour toutes, utilisable tant qu'il n'y a pas de coupure du signal (on met le récepteur en pause, mais on ne doit pas l'arrêter). C'est la pratique utilisée lors de la deuxième étape, effectuée en mode cinématique (un récepteur itinérant) qui différencie les techniques de mesures. Bien qu'il ne soit pas utile de les détailler ici, signalons les techniques classiques du "stop & go" (récepteur itinérant déplacé à pied par exemple, avec saisie sélective de points matérialisés, d'une durée de quelques secondes, sans saisie de la trajectoire), l'enregistrement à cadence fixe sans identification de point particulier (trajectoires), ou les combinaisons des deux précédentes1. Dans le cas de la bathymétrie, pour les cours d'eau navigables, le système de mesure intégré est constitué d'une part d'un capteur (transducteur ultrasonore le plus souvent) mesurant la profondeur du lit à partir de sa position sous l'embarcation, d'autre part d'une système DGPS mesurant la position de ce capteur (cf. A6). Dans ce cas, la station GPS fixe est située à proximité du cours d'eau (souvent le long des berges) sur un emplacement levé au préalable. La station itinérante est placée sur le bateau sur une position connue avec précision par rapport à la position du capteur ultrasonore. La station fixe est déplacée d'un emplacement de référence à l'autre au fur et à mesure du déplacement du bateau, lorsque la ligne de base (distance entre les deux récepteurs GPS) devient trop grande. En ordre de grandeur, cette ligne de base peut varier entre environ 10 et 20 km, mais cette distance est surtout conditionnée par la qualité de la réception radio, non obligatoire pour les mesures au DGPS, mais le plus souvent utilisée pour un dépouillement immédiat des mesures. Ceci permet de refaire l'acquisition de mesures suspectes alors que l'embarcation est encore sur le site.

1

Le GPS et ses applications - Guide du GPS à usage professionnel - juin 1995 - Leica, avec une nouvelles version : "notion de base du GPS - Introduction au GPS, système de positionnement à l'échelles du globe" - Version 1.0. CETE Méditerranée


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SAT1

SAT2

SAT3

SAT4 SAT5

Liaison radio

Le récepteur itinérant interroge les satellites, la station mobile interroge les satellites et renseigne le récepteur mobile par radio

Le cas de la photogrammétrie est comparable au précédent. Le récepteur GPS mobile est placé dans l'avion, à une distance fixe par rapport à l'appareil photographique. Ce dernier, comme le capteur ultrasonore en bathymétrie, fournit l'information de la position des points observés par rapport à l'avion. Les stations fixes sont des récepteurs GPS placés par le géomètre ou des stations collectives mises à disposition par des organismes gestionnaires. A5.3

Précision de la mesure topographique par GPS :

Il faut plutôt parler de familles de précisions, et rappelons que le mode d'utilisation est toujours différentiel dans le cas de mesures à vocation topographique. En résumé des paragraphes précédents, la précision de la mesure est principalement liée aux éléments suivants, non indépendants : - le nombre et la position des satellites accessibles au moment de la mesure; (cf. le GDOP dans le glossaire) - la durée d'observation, variant de quelques minutes à quelques dizaines de minutes; - le type de récepteur et la technique de mesure. La précision à attendre d'une commande à un géomètre peut être sub-décimétrique. Pour un même matériel, elle dépend sensiblement de la technique de mesure, assez complexe pour un non spécialiste. C'est pourquoi il faut spécifier dans la commande un objectif de précision plutôt qu'une technique particulière, ce qui d'ailleurs est le principe appliqué généralement pour toutes les mesures terrestres. A5.4

combien ça coûte ? Coût de systèmes GPS typiques :

Le coût d'un système GPS est évidemment très variable selon la précision procurée et le type de récepteur. Pour les professionnels, il y a deux aspects : le coût d'achat et de formation et le coût de la durée de mesure si le système est performant en précision mais pas en durée CETE Méditerranée


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d'observation. Le coût de la liaison radio éventuelle entre la station fixe et la station mobile et celui d'applicatifs élaborés n'est pas toujours compris dans les ordres de grandeurs de prix couramment annoncés. Enfin, les techniques électroniques, de calcul et de traitement des signaux étant en rapide évolution, ces prix sont susceptibles d'évoluer rapidement. Disons qu'en matière de mesures topographiques, on peut distinguer trois cas : - relevé d'informations géographiques : précision de quelques mètres, DGPS avec logiciel de post-traitement, utilisable avec des notions techniques générales et une petite formation : entre quelques kF et plusieurs dizaines de kF selon les caractéristiques des récepteurs (le plus souvent, la station fixe ne fait pas partie de l'achat : c'est une station collective placée dans la région par un organisme gestionnaire); - mesures topographiques de précision (sub-décimétrique pour les trois coordonnées) : DGPS, liaison radio et logiciels de post-traitement, nécessitant une formation solide : entre 150 kF et 300 kF selon les caractéristiques des récepteurs (station fixe et récepteur itinérant) - mesures bathymétriques pour les cours d'eau navigables : identique au cas précédent, le coût du capteur ultrasonore à rajouter étant sans commune mesure avec la fourchette de prix total. Coût des levés terrestres au GPS : Il n'y a aucune raison pour que le coût des levés au GPS soit différent des autres levés terrestres, l'avantage de cette technologie élaborée étant répercuté dans le gain de temps du géomètre. A5.5

Pour en savoir plus 1, 2

Glossaire GPS

:

EGNOS : European Geostationary Navigation Overlay System - programme international récent (dont financement français), visant à fournir aux utilisateurs de GPS des signaux complémentaires augmentant la précision et la fiabilité GALILEO : projet européen industriellement autonome par rapport au GPS, avec possibilité de lien plus ou moins étroit avec GPS ou GLONASS. Encore en développement GLONASS : GLObal Navigation Satellite System - système russe, avec segment spatial et segment utilisateur différents du GPS, mais technologie proche du GPS. Nécessiterait le développement du segment spatial pour être autonome GNSS : Global Navigation Satellite System - concept qui regroupe plusieurs moyens satellitaires utilisables pour la navigation GPS : système américain, aujourd'hui le plus courant PPS : Precise Positionning System : composante du GPS initialement réservée à la défense américaine, utilisable par les civils depuis le 01/05/01 SPS : Standard Positionning System : composante du GPS utilisable par les civils (signaux PPS brouillés intentionnellement jusqu'au 01/05:2000) WGS84 : World Geodetic System 84 - système de référence mondial lié au GPS. L'origine est le centre de gravité des masses de la terre, l'axe Z passe par l'axe de rotation de la terre, et l'axe X est l'intersection de l'équateur avec le méridien de Greenwich. 3

DOP : Dilution of Precision - indicateur de qualité de la géométrie des satellites . Plus le DOP est faible, meilleure est la précision. D'autres indicateurs sont liés : HDOP : relatif à la précision planimétrique, VDOP : relatif à la précision altimétrique

1

site web du ministère de l'équipement, groupe de travail GPS : intra.CGPC.i2/activité/groupes-detravail/ntic/gps.asp 2 Tout sur le GPS, Géomatique expert n°10 - décembre - janvier 2001, pp.25-46 3 Le GPS et ses applications - Guide du GPS à usage professionnel - juin 1995 - Leica CETE Méditerranée


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GDOP : critère principal de qualité de la géométrie des satellites, relatif aux 3 coordonnées et au temps. Il varie de 1 à l'infini (plus ce nombre est grand, moins la configuration est favorable : l'infini correspond à 3 satellites). Dans le cadre d'observations topographiques, le seuil de tolérance courant est égal à huit. Le GDOP est rarement mauvais pour plus de 4 satellites, mais fréquemment médiocre pour le nombre minimum de 4 satellites. On doit toujours consulter le GDOP avant de valider une mesure. Bibliographie complémentaire : - GPS, localisation et navigation, Botton S., Duquenne F., Egels Y., Even M., Willis P., Editions Hermes, 1997 - Dossier GPS et nivellement, revue Géomètre, n°2 février 1995 - Dossier GPS et nivellement, revue Géomètre, n°6 juin 1998 : Duquenne H. - Grille de correction pour effectuer du nivellement par GPS, Harmel A., Le Pape M. - GPS et réseaux de nivellement. Kasser M. - GPS et nivellement, retour sur les concepts de base Un inventaire des matériels et logiciels disponibles en France a été effectué par un groupe de travail du CNIG et réalisé avec l'aide des constructeurs et revendeurs français de matériels et logiciels GPS. Source: http://lareg.ensg.ign.fr/CNIG.PSD/inventaire.html. L'Evaluation des matériels et logiciels GPS a été effectué par un groupe de travail du CNIG. la demande des utilisateurs a été évaluée par l'intermédiaire d'un questionnaire spécialisé. Source : http://lareg.ensg.ign.fr/CNIG.PSD/evaluation.html Un choix étendu de sites Internet est proposé dans Tout sur le GPS, Géomatique expert n°10 - décembre - janvier 2001, pp.25-46.

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A6

A6.1

Bathymétrie par sondeur ultrasonore

Principe de la mesure

Il est basé sur la mesure de l'amplitude et / ou la phase de signaux ultrasonores (entre plusieurs dizaines et plusieurs centaines de milliers de Hz) réfléchis sur le fond et émis dans 1, 2 l'eau . La détection par mesure d'amplitude des ondes est plutôt adaptée aux faisceaux verticaux tandis que la mesure de phase est bien adaptée aux faisceaux latéraux. Les vedettes bathymétriques sont le plus souvent équipées de sondeurs multifaisceaux : le lobe de directivité de l'émission ultrasonore est étroit dans la direction de cheminement du bateau et large transversalement (respectivement environ quelques degrés et 150 degrés). L'antenne (réception du signal réfléchi) a une directivité étroite dans le plan transversal et plus étendue (environ 20 degrés) dans le sens de la marche. Après traitement du signal de décalage en amplitude et / ou phase du signal ultrasonore réfléchi, on dispose de l'information de distance entre le fond et le capteur (ensemble émetteur(s)-récepteur(s)) dont la position est fixe sous le bateau. Pour déterminer les coordonnées des points sondés, on doit aussi mesurer la position du bateau, via un dispositif DGPS (cf. A5). Les deux mesures sont en général simultanées. A6.2

Composition du matériel

Le dispositif embarqué est composé : - des antennes d'émission - réception - d'un système électronique de génération des signaux, de réception et amplification, de traitement des signaux (temps quasi - réel) - du matériel d'interface (station de travail, écran de contrôle,...) permettant la validation des mesures et les corrections de pilotage par opérateur - pour la mesure de la position du bateau, d'un récepteur DGPS Le dispositif est complété au sol par la station fixe GPS et éventuellement d'un récepteur radio pour traiter les signaux qu'elle émet (cf.A5). A6.3

Précision, contraintes d'utilisation et coût des levés

Le sondage bathymétrique ultrasonore peut fournir une précision centimétrique. Cette grande précision est complétée par la densité des informations, qui est telle que la quantité de points est souvent diminuée à la livraison pour ne pas surcharger inutilement les fichiers. Une difficulté à signaler est le rattachement des levés aux berges : il faut alors effectuer des sondages spécifiques dans leur direction si le type de sondeur le permet, ou bien effectuer un sondage manuel (quelques points suffisent s'ils sont levés avec précision) à l'embarquement et / ou au débarquement. Sauf dans le cas de dispositifs très élaborés et très rares, ce type de sondage est mal adapté : - aux fonds très vaseux avec une grande quantité de suspensions : une trop grande partie du signal émis est diffusé, la quantité d'énergie acoustique réfléchie est alors trop faible pour un bon rapport signal sur bruit;

1 2

Site internet du SHOM : www.shom.fr Site internet de l'IFREMER : www.ifremer.fr

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- aux fonds très accidentés : l'énergie acoustique réfléchie est alors trop faible à cause de la diffraction des faisceaux émis par le fond; - aux petits fonds (quelques dizaines de cm) : il est alors difficile de traiter les signaux qui présentent des réflexions multiples entre le fond et la coque du bateau; - aux cours d'eau trop petits pour qu'une embarcation puisse s'y adapter et rester stable. Le coût des levés bathymétriques est en partie lié à la mise en œuvre des mesures : embarcation, DGPS,... Lorsqu'il s'agit de services de navigation du ministère, une campagne de mesure coûte entre 12 000 FHT et 20 000 FHT par jour, correspondant à la mise en œuvre et au post-traitement de 5 ou 6 profils espacés de quelques centaines de mètres. Un bureau d'étude privé facturerait évidemment plus cher.

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Glossaire général

ALS : Airbone Laser Scanning. Technique d'acquisition de données topographiques par sondage laser aérien embarqué (cf. A3). Altitude : D’une manière générale, c’est la distance entre le point considéré et sa projection sur le géoïde de référence le long de la verticale de la pesanteur. L'altitude est comptée positivement dans le sens de la verticale ascendante. Altimétrie : Détermination (mesure) de l'altitude dans un levé topographique. Par extension, c'est la représentation du relief sur un plan ou un carte. Canevas complémentaire : Réseau de points de référence en planimétrie et / ou en altimétrie, destinés à densifier le réseau de l'IGN, matérialisant un système géodésique au sol. Cette densification est nécessaire pour les levés à grande échelle, liés à des superficies et des précisions telles que le réseau national est trop peu dense. Cartes raster : Simples reproductions physiques de cartes papier. Elles servent de fonds cartographiques pour y inscrire des informations. Ce sont des cartes dites "muettes". Cartes vecteur : Cartes constituées d'objets auxquels on peut associer des informations. Elles permettent de visualiser des données sous forme de calques successifs. Coordonnées géographiques : Latitude, longitude et altitude. Dalle : cf. Feuille. DGPS : GPS differentiel (deux récepteurs GPS). Confère notre fiche et notre annexe techniques. Ephéméride : orbite, trajectoire des satellites. Feuille : Découpage cartographique de base du territoire au 1/50 000 e. (Une feuille au 1/50 000 e est composée de 2 feuilles au 1/25 000 e). Géoïde de référence : Surface équipotentielle du champ de pesanteur coïncidant au mieux avec le niveau moyen des océans. Mais comme il s’agit d’une approximation destinée à décrire tout le champ de pesanteur autour du globe, le niveau moyen enregistré par un marégraphe particulier ne coïncide pas exactement avec le géoïde. GPS : Système américain de positionnement par satellites (Global Positionning System). Confère notre fiche et notre annexe techniques. Lambert : Projection conique conforme réglementaire en France associée au système géodésique NTF. Dans le but de minimiser les déformations, la France a été découpée en quatre zones (Lambert I, II, III, IV pour la Corse). Une projection appelée "Lambert II étendu" couvre la France entière pour des besoins d'amplitude nationale. Latitude : Angle entre la verticale physique locale au point considéré (définie par la pesanteur) et la direction du plan équatorial, plan perpendiculaire à l'axe des pôles. La latitude est une donnée expérimentale. Elle varie entre 0° et 90°, elle est négative dans l'hémisphère sud. Longitude : Angle entre le plan méridien du point considéré et le plan méridien d'origine. La longitude varie entre 0° et 180°, et est comptée positivement vers l'est et négativement vers l'ouest. Nivellement : Technique de mesure qui permet de déterminer l'altitude de tous les points d'un réseau par rapport à une référence par reports successifs de différences de hauteur. Le canevas national de nivellement comprend environ 450 000 repères : l'altitude est mesurée au millimètre près, en référence au niveau moyen de la mer, repéré au marégraphe de Marseille. Ce canevas doit être très régulièrement entretenu. Orthophotographie : Photographie corrigée des déformations dues à la prise de vue aérienne et au relief du terrain. Elle conserve l'information photographique et les qualités géométriques d'une carte.

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Photogrammétrie : Technique de détermination des dimensions et des positions de points ou d'objets à partir de clichés photographiques pris dans les chambres métriques. Cette technique est en particulier utilisée de manière classique en topographie à partir de clichés stéréoscopiques, généralement aériens. Plan méridien : C'est un plan parallèle à l'axe des pôles et contenant la verticale physique locale au point considéré (définie par la pesanteur). La latitude est un angle contenu dans ce plan. Le méridien d'origine est le méridien de Greenwich. Réalisation d’un système de référence : Matérialisation / concrétisation d’une système de référence géodésique par un ou plusieurs réseaux géodésiques (canevas). Repère de nivellement : Repère généralement en fonte, comportant une patte d'ancrage pour fixation sur la face verticale d'un support stable (pont, bâtiment...) matérialisant l'altitude du lieu. Réseau de nivellement : Ensemble de points repérés d'altitude connue, couvrant un territoire et servant de base aux opérations de nivellement. Réseau géodésique : (canevas géodésique) Ensemble de points de coordonnées connues couvrant un territoire et servant de référence et d'ossature aux opérations topométriques. Ces points étaient déterminés par triangulation (mesures d'angles et de distances), ils le sont aujourd'hui par GPS. Réseau Géodésique Français : (RGF) Nouveau réseau, réalisé par l'Institut Géographique National et succédant à la Nouvelle Triangulation de la France. Système de référence précis compatible avec les références mondiales. Ce système est tridimensionnel et géocentrique et correspond à la réalisation française du système européen ETRS89, lui-même compatible avec les systèmes mondiaux. Système de référence géodésique : Ensemble des relations qui permettent de décrire la position de tout point à la surface ou proche de la terre en trois dimensions. Il est défini par le centre de masses, le méridien origine, un ellipsoïde et un géoïde. Système de projection : Ensemble des relations mathématiques qui décrivent la correspondance entre l'ellipsoïde et une représentation plane (carte). Topographie, topométrie : Mesure, et/ou exploitation et contrôle des observations concernant la position planimétrique et altimétrique, la forme, les dimensions et l'identification des éléments concrets, fixes et durables existant à la surface du sol à un moment donné.

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