Ecomorphologie de l’Arnon

Laurent Fontannellaz, Benoît Jordil, Guillaume Laurent

Avant-propos

Travail réalisé par groupe de trois dans le cadre du cours d’Imagerie et Géoinformatique. Le thème de ce travail est “la photogrammétrie au service de la vie de tous les jours” et plus particulièrement sur l’utilisation de la photogrammétrie au fil de l’eau ou au service de l’écomorphologie des cours d’eau. Le cours d’eau choisit est celui de l’Arnon car il possède un mélange intéressant au niveau morphologique, sans compter les installations hydrologiques qui entravent son parcours ainsi que le parc naturel qu’il longe. Tout ceci offre un nombre remarquable de possibilités d’exploitation de la photogrammétrie.Voir: Plan de situation Plan de situation (source : http://map.geo.admin.ch)

1 Introduction

Les cours d’eau font partie intégrante de la nature et du paysage. Ils forment un réseau d’artères vitales, façonnent nos paysages, transportent l’eau et charrient les alluvions, créant ainsi des milieux caractéristiques de quantité d’espèces végétales et animales.

Actuellement, l’état écologique des cours d’eau n’est plus seulement fonction de la pollution par les eaux usées et les apports diffus de substances. En effet, des domaines tels que l’énergie hydraulique, l’évacuation des eaux en provenance des zones habitées et la protection contre les crues jouent un rôle de plus en plus crucial. Sur cet arrière-plan, les procédures d’appréciation de l’état physique des eaux gagnent en importance. Il est donc plus que jamais nécessaire d’analyser et d’apprécier les paramètres qui concernent les conditions morphologiques et hydrologiques.

En effet, selon la Loi fédérale sur la protection des eaux du 24 janvier 1991 (RS 814.01), qui a pour but, (art.1), de protéger les eaux contre toutes atteintes nuisibles. Elle vise notamment à:

  • a) préserver la santé des êtres humains, des animaux et des plantes;
  • b) garantir l’approvisionnement en eau potable et en eau d’usage industriel et promouvoir un usage ménager de l’eau;
  • e) sauvegarder les biotopes naturels abritant la faune et la flore indigènes;
  • d) sauvegarder les eaux piscicoles;
  • e) sauvegarder les eaux en tant qu’élément du paysage;
  • f) assurer l’irrigation des terres agricoles;
  • g) permettre l’utilisation des eaux pour les loisirs;
  • h) assurer le fonctionnement naturel du régime hydrologique.

2 Ecomorphologie

Le terme “écomorphologie” comprend le recensement des conditions structurelles dans l’eau et à son voisinage: la morphologie des eaux, les mesures d’aménagement hydraulique (endiguement des berges, aménagement du lit, barrages, etc.) et les conditions environnantes (constructions, exploitation du sol, végétation). Ces conditions sont relevées à l’aide de 5 critères sélectionnés (largeur du lit, variation de la largeur du lit mouillé, aménagement du fond du lit, renforcement du pied de la berge, largeur et nature des rives). L’état naturel des tronçons du cours d’eau ou des réseaux hydrographiques entiers est évalué au moyen de ces critères. L’objectif de ces analyses est de représenter, de manière simple et synoptique, l’état écomorphologique des cours d’eau d’une région (p. ex. cantons, régions, communes). Cette démarche sert à l’appréciation préliminaire de l’état naturel des cours d’eau et à estimer la nécessité d’améliorations structurelles. Elle permet en outre de comparer la surface actuellement occupée par les cours d’eau et peut ainsi servir de base à la coordination avec d’autres activités ayant des effets sur l’organisation du territoire (par ex. planification directrice). Les analyses se font par inspection des cours d’eau. Le relevé se fait à l’aide de formulaire de relevés accompagné d’une carte au 1:5'000 (dans certains cas au 1:2'500) servant à reporter les limites des tronçons et toutes les atteintes ponctuelles (seuils, barrages, courtes mises sous tuyau, etc.) notées sur les formulaires. D’après certaines estimations, un collaborateur peut analyser en moyenne 3-4 km de cours d’eau par jour. Si le terrain est dépourvu de chemin ou si les structures changent très souvent, la longueur examinée en un jour peut se réduire de moitié (1-2 km). Inversement, dans des conditions simples, jusqu'à 9 à 12 km peuvent être analysés en un jour. Ces données sont ensuite introduites dans un système d’information géographique. De ce fait, en poursuivant systématiquement les analyses, il est possible d’obtenir des renseignements sur les évolutions positives ou négatives d’un cours d’eau. Image 2 : Ecomorphologie (source : http://www.modul-stufen-konzept.ch)

3 Acquisition

3.1 Matériel

L’utilisation de R-Pod pour ce genre de travail, a pour but de rationaliser le travail d’un collaborateur. En effet, un parcourant le cours d’eau, l’analyse est en moyenne de 3-4 km par jour. En possédant des orthophotos, l’analyse peut se faire en partie au-travers de ces dernières qui facilite le travail, elles permettent entre autres d’éviter de parcourir tout le cours d’eau et de restreindre l’étude à des zones spécifiques. De plus, les mesures de distance peuvent s’effectuer directement sur les orthophotos, comme celles-ci sont géoréférencés et orientées. La précision est plus élevée. Cependant, l’utilisation de R-Pod n’évite pas l’analyse du cours d’eau dans son environnement. Certains critères, ne peuvent pas être définis sur les orthophotos. Le matériel se compose d’une aile volante autonome de 500 g. Celle-ci est équipée d’un dispositif de prises de vues et d’un GPS. La batterie embarquée lui confère une autonomie d’environ 30 minutes. Le dispositif permet de couvrir des zones de l’ordre d’un hectare par vol. Image 3 : Le Swinglet (source : Sensefly)

D’un point de vue législatif, l’aile volante n’est pas considérée comme un aéronef. De ce fait, lors de la réception d’un mandat, une exécution rapide et indépendante de toutes demandes d’autorisations, qui seraient de nature à retarder le projet, est envisageable. R-Pod permet de proposer des solutions de photogrammétrie aérienne à un coût défiant toute concurrence en regard des solutions classiques faisant appel à des moyens aéroportés lourds et coûteux tel qu’avion ou hélicoptère. Par ses caractéristiques techniques et opérationnelles, R-Pod répond ainsi aux besoins et moyens financiers de petites collectivités telles que communes ou petites entreprises.  

3.2 Plan de vol

La zone de survol du présent travail, a été déterminée en prenant 1 km de part et d’autre du Clos du pont. Cette zone a été sélectionnée afin de prouver l’intérêt de la photogrammétrie appliquée à l’écomorphologie. Image 4 : Zone de travail (source : www.r-pod.ch)

3.3 Exécution du vol

Surface utile : 0.356 [ha]

  • Gsd : 4.4 [cm]
  • Altitude au-dessus du sol (Hagl) : 148 [m]
  • Nombre d'images : 336 (totalité)
  • Nombre de points d'appuis (GCP) : 12

La bonne exécution du vol est une question de bon plan de vol, de systématisme, d’expérience ainsi que de la météo, etc… de chance !

Pour des données complémentaires:

4 Géoréférencement

4.1 GCP

Les points d’appui sont des éléments matériels très importants. Ceux-ci servent à la détermination de la référence absolue au sol. Ils sont connus en coordonnées planimétriques et/ou altimétriques, mesurés manuellement et ce dans le plus grand nombre d’images. Les points d’appui peuvent être signalés ou non. Dans les deux cas, ils peuvent être déterminés en coordonnées avant, pendant ou après le vol. Les points d’appui peuvent être des points existants, par exemple de la Mensuration Officielle, qui sont simplement signalés pour l’occasion ou des points naturels présentant une bonne visibilité et un bon contraste, par exemple le marquage au sol de place de parc.  

4.2 Aérotriangulation

Actuellement, en photogrammétrie numérique, il est très rare de pratiquer une orientation relative ou une orientation absolue. Le travail est généralement effectué par bloc photogrammétrique, regroupant plusieurs dizaines ou centaines de clichés. En une seule étape est déterminée l’orientation externe de chaque cliché dans un système de coordonnées national. L’aérotriangulation fait intervenir simultanément, les paramètres géométriques de la caméra, les mesures dans les systèmes de référence, les coordonnées des points d'appui, les coordonnées approchées des centres de projection, les rotations approchées des clichées. C’est donc une opération passablement complexe.

5 Restitution

5.1 MNT

Un modèle numérique de terrain est une représentation de la topographie (altimétrie et/ou bathymétrie) d’une zone terrestre. La production est le plus souvent l’étape qui suit immédiatement l’aérotriangulation. Le MNT prend tout son importance dans le cadre de l’étude écomorphologique d’un cours d’eau, il est utile pour déterminer les hauteurs des talus, la profondeur théorique de la rivière, son niveau d’eau lors de la photographie ainsi que les divers aménagements réalisés le long du cours d’eau. Dû à la végétation trop importante dans certaine zone, il n’est pas envisageable de crée un MNT sur tout au long du cours d’eau.

5.2 Lignes de raccord

Chaque point au sol a plusieurs représentations. La ligne de raccord sert donc à décider quelle image sera prise en considération. Ces lignes de raccord forment en général des polygones délimitant la zone d’influence de chaque image (Annexe – Exemple sur orthomosaïque). L’approche est très différente selon le milieu. Dans un milieu urbain, la délimitation se fera par quartier alors que dans un milieu rural, elle se fera par champ.

6 Interprétation

6.1 MNS

Le modèle numérique de surface est quant à lui utile pour déterminer (à l’aide du MNT) la hauteur théorique des arbres avoisinant les bords du cours d’eau. Il pourra être réalisé grâce à la photogrammétrie.  

6.2 Orthomosaïque

Pour une orthomosaïque de qualité, les composants indispensables sont : des photos orientées, un MNT, des lignes de raccord et une correction radiométrique. L’orthomosaïque permettra à l’avenir de restructurer le plan parcellaire afin d’améliorer la gestion des zones aux abords de la rivière. Elle offre une plus-value non négligeable, particulièrement pour la présentation ou l’explication des modifications engendrées par un éventuel remaniement du cours d’eau.

Exemple d'Orthomosaïque sur fond de carte topographique Exemple d'Orthomosaïque sur fond de carte topographique

6.3 Niveau de détail LoD

Pour le niveau de détail, le LoD 0 convient très bien pour l’utilisation voulue. Par contre il est tout à fait envisageable de passer à un niveau supérieur, mais cela engendrera des coûts supplémentaires superflus. Passer à un niveau de détail supérieur comme le LoD 1 permettrait de représenter les différents ouvrages qui ponctuent la rivière en 3D mais comparé à la charge de travail, cela est économiquement pas viable.

7 Visualisation

7.1 Couverture du sol

La photogrammétrie permettra de déterminer avec précision la couverture du sol, cette opération ne peut pas être réalisée automatiquement, ce qui entrainera un coût non négligeable pas forcément utile pour l’utilisation prévue.

7.2 Maquette 3D OK

Dans le cadre du projet, une maquette 3D OK n’apporterai rien de plus si ce n’est un coût excessif superflu. Pour plus d’information, voir www.3dok.org

8 Autres moyens

Afin d’améliorer le jeu de donnée, le recourt au système LiDAR devient indispensable, il permet de réaliser : un MNS, un MNT, ou un nuage de points géoréférencés dans les trois dimensions mais aussi de bénéficier d’information sur les types de végétation et de sol. Son seul désavantage reste son coût élevé.

9 Autres utilisations

Autres utilisations de la photogrammétrie dans le cadre d’un cours d’eau :

  • Évolution du cours d’eau
  • Gestion des rives (biotope, recensement d’espèces, …)
  • Modification du PGE pour un village, pollution industrielle des eaux.
  • Implantation de travaux de génie civil (ex : passerelle pour piétons)
  • Spécialisation du plan des zones (ex : zones protégées aux abords du cours d’eau)
  • Modification des berges selon la loi sur la revitalisation des cours d’eau.

Exemple concret:

  • Image gauche: Date : 25.03.2011 / Lat: 46;49;16 / Long: 6;37;30 / Alt: 667
  • Image droite: Date : 25.03.2011 / Lat: 46;49;16 / Long: 6;37;50 / Alt: 659

10 Conclusion

L’utilité de la photogrammétrie dans le cadre de gestion de cours d’eau n’est plus à prouver. Par ailleurs, étant donné les divers produits et méthodes lié à celle-ci, il est important d’établir un cahier des charges précis comportant toutes les attentes du client afin de répondre au mieux à ses besoins dans un budget raisonnable. En outre son utilité, la photogrammétrie permet un gagne temps considérable pour le traitement écomorphologique d’un cours d’eau. Travail qui ne sera plus à faire, sur le terrain, par un collaborateur. En effet, dès l’obtention d’un MNT et d’une orthomosaïque, il est facile de déterminer les conditions environnementales et caractéristiques du cours d’eau (Annexe – Exemples de photos). De plus, il est possible de représenter, à partir de ces produits des coupes en travers de tronçons spécifiques. Une fois ces données saisies, elles peuvent être introduite dans un SIG, afin de suivre l’évolution du cours d’eau au fils des ans.

Sources

  • Informations concernant la protection des eaux n°27, Méthode d’analyse et d’appréciation des cours d’eau Ecomorphologie-niveau R (région), Publié par l’Office fédéral de l’environnement, des forêts et du paysage OFEFP Berne 1998
  • Cours d’Imagerie et Géoinformatique, Monsieur François Gervaix, 2011