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Florian BASOGE |
VALORISATION DE MNT LASER AEROPORTE POUR LA CONDUITE DE PROJETS D’AMENAGEMENT HYDRAULIQUE
Société d’accueil : Conseil Général du Haut-Rhin
PFE présenté par : Florian BASOGE
Directeur du PFE : Nicolas Kreis
Correcteurs : Tania Landes - Mathieu Koehl
Introduction:
Le Haut-Rhin est traversé du sud au nord par l’Ill qui est le principal cours d’eau du département mis à part le Rhin. L’Ill est une rivière assez calme l’été avec peu de débit (1 à 2 m3/sec) mais connaissant des épisodes de crues importantes durant l’hiver (400 m3/sec). Elle est alimentée par des affluents venant des vallées des Vosges (la Doller, la Fecht, la Lauch). La fonte des neiges et de fortes précipitations sont les causes d’une variation rapide du débit de la rivière.
Le Service Aménagement des Rivières (SAR) du Conseil Général du Haut-Rhin est chargé de s’occuper de la gestion des cours d’eau présents sur le Haut-Rhin. Cette gestion consiste principalement à protéger les habitations contre les crues. Il réalise des calculs de hauteurs d’eaux pour connaître les cotes des différentes rivières en crue. Ces cotes de crues sont utilisées pour réaliser des simulations hydrauliques.
Le SAR a acquis un MNS de la vallée de l’Ill par levé laser aéroporté. L’utilisation de ce levé sert entre autres à réaliser des simulations hydrauliques sur l’Ill. A terme, le Service Aménagement des Rivières souhaite acquérir les levés de toutes les vallées des cours d’eau du Haut-Rhin.
Mon projet consiste tout d’abord à intégrer le MNS sur le SIG puis à réaliser le filtrage du MNS en utilisant les outils disponibles au Conseil Général pour obtenir un MNT exploitable. L’outil principal est ArcView GIS 3.3. Le MNT sera lui aussi intégré à la base de données. Un mode opératoire doit être réalisé pour filtrer le MNS et obtenir un MNT en utilisant uniquement Arvcview 3.3. Un export sous AutoCAD-Covadis doit ensuite être créé pour exploiter le nouveau MNT. Il faut donc épurer le MNT tout en gardant le maximum de données au niveau des digues.
Contexte:
Une crue ne peut pas être simulée à partir d’un seul point d’observation ou à un instant donné car c’est un phénomène variable dans l’espace et le temps. Pour modéliser une crue, on utilise au moins deux types de données hydrologiques: les stations de jaugeage et les stations météorologiques.
La topographie de la zone de crue est aussi très importante pour une simulation hydraulique
des écoulements. La topographie de la rivière et du lit majeur est le plus souvent décrite par des profils en travers. Ceux-ci peuvent être espacés de plusieurs centaines de mètres si la forme de la rivière varie peu. Trois paramètres sont à prendre en compte pour connaître les besoins topographiques : l’extension de la zone géographique, la résolution et la précision. Ces trois critères ont conditionné le choix de la technique de levé.
Le levé laser aéroporté s’est avéré être la méthode la mieux adaptée. En effet, en plus des
trois critères cités précédemment, le levé laser aéroporté comporte d’autres avantages : la rapidité des mesures, un coût acceptable et la gestion du sursol, le sursol correspondant à la végétation et aux bâtiments
Les données:
Le levé de l’Ill couvre une surface de 440 km². Il s’étend du nord de Mulhouse au nord du Haut-Rhin (Illhaeusern). Cela représente environ un rectangle de quarante quatre kilomètres de long sur dix de large. Cette surface contient de nombreuses zones d’expansion de crues mais aussi de nombreuses communes protégées par des digues. Les mouvements d’eaux sont mal connus lors des crues dans certaines de ces zones. Ce levé a été fourni uniquement sous forme de MNS. Aucun filtrage n’a été réalisé .
Les données fournies par TopoSys® sont sous forme raster non pris en charge par ArcView GIS 3.3. Elles sont enregistrées par cellule de 2km par 2km.
Le pas du MNS est d’un mètre. Ce pas a été demandé par Nicolas Kreis, responsable du SAR. La précision planimétrique est de 50 cm et la précision altimétrique est de 15cm. Le MNS a été projeté en Lambert II étendu. Le mode d’acquisition utilisé est le mode dernier écho.
Les outils:
ArcView est un logiciel de Système d’Information Géographique de bureautique. Il a été développé par ESRI. Il permet de visualiser, explorer, interroger et analyser des données spatiales. Il existe des extensions sous ArcView permettant de travailler avec des données topographiques : Spatial Analyst et 3D Analyst. Ces extensions permettent de travailler avec des MNTs en format vecteur ou raster. On peut ainsi générer des surfaces, les analyser et modéliser le terrain.
Le logiciel Arcview GIS 3.3 utilise un langage de programmation propre. Ce langage est appelé Avenue. Il s'agit d'un langage de développement orienté objet, ce qui en fait un outil bien adapté à la gestion des données géographiques. Il est livré avec ArcView et permet notamment le développement d'applications utilisant les fonctionnalités d'ArcView en créant une nouvelle interface (menus, barres d'outils…etc.). On peut ainsi utiliser ce code pour réaliser nos propres scripts. Cela permet de redéfinir les options de tous les menus et boutons, ou d'ajouter les siens.
Exploitation des données:
Préparation des données
Pour intégrer les données brutes sous Arcview, plusieurs manipulations assez répétitives doivent être effectuées: import des données ascii, déplacement de l’origine pour passer des coordonnées Lambert II étendue en Lambert II et découpage des données par communes.
Ces tâches étant assez répétitives, des scripts ont été écrits pour automatiser l’import. Le premier script permet l’import des fichiers ascii en rentrant uniquement le chemin d’accès de ces fichiers, le nom du premier fichier et le nombre de fichiers à traiter. Une fois ces trois paramètres rentrés, le logiciel travaille seul.
Le second script permet de déplacer le point d’insertion des dalles. Une fois toutes les dalles chargées sur la vue, on lance le script qui demande le déplacement en X et en Y. Il modifie alors automatiquement le point d’insertion de chaque dalle. On obtient donc des fichiers dans le système de coordonnées du SIG du Conseil Général (Lambert II).
Le troisième script est prévu pour découper le MNS par communes. En effet il est plus facile
pour les utilisateurs de travailler avec des MNS rangés par communes. Un fichier de la BD Carto de l’IGN répertorie toutes les communes du Haut-Rhin. Par ailleurs, des scripts existent sur Internet pour découper un fichier raster à partir d’un fichier polygone. La manipulation consiste à rassembler les différentes dalles constituant une commune puis de redécouper ce nouveau fichier aux limites communales. La tâche étant longue à réaliser et le nombre de communes important, l’automatisation a été très bénéfique. Le script détecte les commune s à découper en fonction des fichiers rasters présents dans la vue.
Création automatique de cartes de zones inondables:
Le levé laser aéroporté est un outil performant pour
réaliser les cartes de zones inondables. En effet, il nous donne
la topographie le long du cours d’eau sur une largeur bien supérieure à un levé de géomètre. Nous avons tous les anciens bras de rivières, les dépressions, les chemins, les obstacles. La densité de point permet un zonage très précis des cartes de zones inondables.
A partir de cotes de crues centennales, on modélise la surface que recouvrirait la crue si les digues venaient à céder. Soustraite à la topographie du terrain, on obtient l’écart entre ces deux surfaces donc la hauteur d’eau théorique lors d’une crue. Ces cartes sont ensuite utilisées pour réaliser le Plan de Prévention des Risques d’Inondations (PPRI). Des cartes des aléas sont alors créées pour aider à l’urbanisation.
Ces cartes peuvent elles aussi être créées automatiquement en écrivant un script. En entrée, on introduit toutes les communes concernés et le fichier contenant les cotes crues. En sortie, nous obtenons des cartes de hauteurs d’eau qu’il faut ensuite interpréter.
Transformation du MNS en MNT:
Pour réaliser des simulations hydrauliques, on doit utiliser un MNT sans obstacle pour ne pas fausser les calculs. Des extensions sous ArcView sont utilisables pour préparer ces simulations. Elles travaillent à partir de TINs. Le MNS doit être filtré des arbres et des bâtiments pour obtenir un MNT. Une rugosité est ensuite donnée à la surface selon que l’on soit en milieu urbain, en forêt ou sur des zones plates, sans végétations.
J’ai donc créé un protocole en utilisant des extensions d’ArcView pour réaliser un filtrage et obtenir un MNT. Ce protocole a ensuite été transformé en un script unique pour éviter d’utiliser de nombreux outils successivement. Les principales étapes de ce protocole sont les suivantes :
- détection de contours en utilisant un filtre de convolution
- extraction des contours sous forme de lignes
- transformation de ces lignes en polygones
- suppression des données au niveau des polygones
- interpolation des zones ne contenant plus de valeur numérique
- second traitement au niveau des digues pour garder une précision suffisante
- détection automatique des lignes de rupture de pente
- transformation du MNT sous forme vecteur (TIN)
- export des points dans un fichier colonné avec séparateur
Une fois le protocole bien déterminé, la phase de programmation est apparue. Il a fallu rassembler tous les scripts utilisés en un seul en les adaptant et en créant de nouvelles lignes de commandes pour que le tout fonctionne sans encombres. Cette phase de programmation a été longue et a donné au résultat un script de 1800 lignes environ.
Ce script peut être utilisé d’une seule traite ou par étapes. L’utilisation par étapes permet de vérifier les résultats intermédiaires. Le traitement est assez long : pour une commune classique, une à plusieurs heures sont nécessaires. C’est pourquoi la version automatique existe. On lance le traitement et le MNT est créé sans manipulation extérieure.
Les fichiers de sortie sont : - un MNT en format raster ArcView
- un TIN sous ArcView
- un fichier texte avec une extension *.xyz du MNT
- un fichier *.dxf renfermant les lignes de ruptures de pentes
- un fichier verif.log qui permet de vérifier si le processus a réalisé toutes les étapes.
Tous les scripts créés ci-dessus ont été mis sous forme de menus déroulants dans ArcView pour en faciliter l’usage. Les utilisateurs ne sont ainsi pas obligés de charger le script, de le compiler et de le lancer.
Résultat du filtrage
L’exemple ci-dessus montre une partie d’Ensisheim près d’une digue protectrice. Toutes les habitations ont disparu ainsi qu’une grande partie de la végétation.
Le MNT sur AutoCad / Covadis
AutoCad n’est pas prévu pour gérer des millions de points comme le fait un logiciel de SIG.
Son fonctionnement l’oblige à recharger tout le dessin à chaque changement de vue, chaque changement d’échelle. Il a donc fallu utiliser un filtrage sous ArcView avant l’export en fichier colonné pour épurer le MNT. Pour cela, un filtre de convolution de taille 7x7 a été utilisé. Le centre de la matrice prend la valeur 48 et toutes les autres valeurs sont égales à -1. On peut ainsi différencier les zones plates et les zones comportant du relief. Les zones plates sont épurées alors que les zones de relief gardent l’intégralité de leurs données
On peut ainsi travailler sur des zones beaucoup plus grandes, ce qui est nécessaire pour la réalisation de digues.
Conclusion:
Le travail réalisé pendant ces six mois m’a permis de mettre sur pied un projet et de laisser au Conseil général un produit final, utile pour le service. Les extensions laissées pourront servir aux différentes personnes du service : les techniciens avec l’export du MNT vers Covadis et les ingénieurs avec les calculs de zones inondables. Ce dernier outil permet un gain de temps incroyable par rapport à une réalisation manuelle. Un regret dans mon étude est l’utilisation d’une version assez ancienne qui va disparaître de plus en plus au profit de la version 9.
Mon étude peut par ailleurs être exploitée pour d’autres domaines qui utilisent le levé laser aéroporté. Une ouverture avec le service archéologie du Conseil Général s’est créée pendant mon PFE. Ce service fait par exemple des recherches de champs bombés ou d’entrées d’anciennes mines à partir de levés laser aéroportés. L’utilisation de filtres spécifiques permettrait une détection automatique de ces champs.