La stéréophotogrammétrie en zone d’érosion

La caractérisation 3D de ravines est dirigée vers l’élaboration des Modèles Numériques de Terrain (MNT). Dans la référence bibliographique la plus ancienne qui remonte aux années 50, un MNT est défini comme « une représentation statistique d’une surface continue par un nombre de points choisis, avec des coordonnées xyz connues dans un système de projection donné » (Miller & Laflamme, 1958). Dans ce travail nous prenons MNT comme représentatif de terrain naturel, et Modèle Numérique de Surface (MNS) comme représentatif de la surface du « sursol » (tableau II.1).

Le terme « modèle » est pris ici dans son idée la plus large de « schématisation ». C’est donc une approximation de la vérité terrain ou une simplification de la complexité naturelle

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du relief. Le MNT désigne en toute rigueur une description altimétrique référencée du sol nu, tandis que le MNS considère le sursol.

Comme toutes les variables géospatiales, les MNT peuvent être représentés à différentes échelles, dont chacune a sa propre technique de saisie de données (Oksanen, 2006). L’auteur propose 5 échelles de représentation, avec indication de la plage d’espacement de grille : Micro (< 5m), Topographique Fine (de 5 à 50m), Topographique Grossière (de 50 à 200m), Meso (de 200m à 5km), et Macro (> 5km). Plus le MNT est détaillé, moins étendue est la représentation du relief.

Tableau II.1 - Définition de MNT et MNS (adapté d’Oksanen, 2006).

Terme Définition

Modèle Numérique de Surface

MNS

Altitude de la surface supérieure d’objets réfléchissants sur la surface de la Terre (sursol), comme les bâtiments ou la végétation (Maune et al., 2001 ; Puech et al., 2004).

Terme générique couvrant les données numériques de la topographie (altimétrie pour les secteurs émergés ou bathymétrie pour les secteurs submergés) d’une zone terrestre ou d’une planète tellurique, dans toutes les formes adaptée à son utilisation par un calculateur numérique (ordinateur), ainsi que par toutes les méthodologies possibles (adaptation de Maune et al., 2001). Synonyme d’un MNE du sol nu.

Modèle Numérique de Terrain

MNT

Terme générique couvrant les modèles d’altitude et autres éléments géographiques. Il peut également inclure des produits dérivés comme la pente, l’azimut, entre autres (Li et al., 2004).

Il existe trois sources possibles de données pour la construction d’un MNT : les mesures directes sur le terrain ; les mesures directes à distance ; et les mesures indirectes à distance. Les mesures directes sur le terrain, comme le lever par tachéométrie ou GPS, sont les mesures les plus précises et les plus détaillées. Néanmoins, ces techniques ne sont pas adaptées pour le complet développement des MNT étant donné qu’elles demandent beaucoup de temps sur le terrain, donc qu’elles sont très coûteuses. Ces techniques sont plutôt utilisées comme lever complémentaires pour ajouter des données ponctuelles dans des endroits spécifiques (p.e. les pics des montagnes, les fonds de ravines).

Les mesures directes à distance, à l’aide des émetteurs/récepteurs comme le LiDAR ou le Radar, sont des techniques basées sur l’interaction des objets ou d’une surface avec une énergie incidente (des ondes radio pour le Radar ou une lumière laser dans les domaines du visible, ultraviolet et infrarouge pour le LiDAR). La distance à un objet ou à une surface est donnée par la mesure du délai entre l’impulsion et la détection du signal réfléchi.

Les mesures indirectes à distance, comme l’application de la stéréophotogrammétrie à partir d’images stéréoscopiques aériennes ou de satellites, ont été jusqu’à aujourd’hui le moyen le plus utilisé pour la production d’information sur le relief.

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La stéréophotogrammétrie est la technique de restitution du relief la plus couramment utilisée, à partir de vecteurs satellitaires et aériens. Des études à différentes échelles spatiaux temporelles (Daba et al., 2003 ; Martínez-Casasnovas, 2003 ; Martínez- Casasnovas et al., 2003) ont utilisé l’analyse multi date à partir des MNT issus de la stéréophotogrammétrie classique, afin de spatialiser les sources des sédiments qui correspondent au processus de ravinement (et leur dynamique). Cette technique a permis la délinéation de bords de ravines ainsi que le plan d’incision par différence de limites, le calcul des taux de retrait de parois des ravines torrentielles et leurs taux associés de productions de sédiment (production moyenne annuelle par différence des MNT). Quelques problèmes d’erreur systématique dans les MNT plus anciennes ont été détectés. Dans l’étude de mouvements de terrain, la technique de stéréophotogrammétrie numérique semble être la solution la plus efficace pour la modélisation de la dynamique d’un mouvement de terrain, vis-à-vis de la complexité et des coûts d’un levé terrain par moyens classiques comme la tachéométrie ou le GPS.

Plusieurs auteurs (Mora et al., 2003 ; Casson et al., 2005 ; Demoulin, 2006 ; Nichol et al., 2006) ont appliqué la technique de stéréophotogrammétrie numérique ainsi que le levé terrain par DGPS dans l’étude des mouvement de terrains. Les MNT résultants sont assez détaillés et précis pour l’application prévue et ils ont permis le calcul de la vitesse de déplacement du mouvement de terrain à long terme. Quand les différences absolues entre pixels sont plus importantes que la précision relative verticale, la variation topographique est jugée significative, autrement elle est indéterminée et son interprétation sera faite d’après la vitesse de déplacement. Des MNT-DGPS ont été interpolés à partir de milliers de points terrain, ce qui peut être utilisé pour l’analyse à court terme. La combinaison de méthodes de mesures de déplacements à court et à long terme a donné des résultats cohérents. Néanmoins, les MNT-stéréo sont une source de données spatiales indispensable afin d’élargir la période de référence dans l’analyse d’évolution des géo-formes.

Les méthodes mentionnées ci-dessus aident dans la compréhension générale des processus d’érosion au niveau de bassins versants. Toutefois, elles ne sont pas suffisantes pour comprendre comment se développe l’interaction entre les facteurs de contrôle au niveau de versants élémentaires.

Les phénomènes d’érosion en montagne sont chaotiques. L’énorme difficulté de prévoir leur occurrence spatiale et temporelle contribue à rendre leur modélisation déterministe (Zinck et al., 2001). Cependant, le développement des techniques modernes d’observation de la terre, en particulier la disponibilité des données multi date par techniques de télédétection de plus en plus détaillées (spatiale et temporelle), améliore les possibilités de cartographier et de surveiller ces phénomènes.

Pour la surveillance de processus d’érosion hydrique, la méthode classique de prélèvement ponctuel dans la parcelle d’érosion a permis d’améliorer des résultats de modèles de simulation. Néanmoins, les problèmes sur l’observation directe des flux de masse aux endroits spécifiques d’un réseau de drainage, constituent une contrainte de prélèvement importante et limite une interprétation complète de la dynamique du système (Brasington & Smart, 2003). Une alternative de plus en plus populaire est l’estimation des formes et des taux de transport des sédiments à partir de l’analyse de la dynamique morphologique. Ceci comporte essentiellement l’inter comparaison des surfaces topographiques dans le temps, une approche qui a été employée avec succès en géomorphologie fluviale pour reconstruire le transport de la charge du lit fluvial à court terme (Brasington & Smart).

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L’énorme intérêt récent pour la « méthode morphologique » tient en grande partie sur les avances en technologie de levé topographique et des MNT, qui permettent la surveillance détaillée de géo formes et l’analyse quantitative à une résolution spatiale et à une fréquence temporelle sans précédent (Bransington & Smart, 2003). Un développement clef a été l’automatisation de la corrélation d’images stéréoscopiques à partir des méthodes de corrélation numériques « pixel à pixel ». Ceci a été possible grâce à la puissance des ordinateurs d’aujourd’hui plus la réduction de coûts dans la mémoire et le stockage de données.

L’arrivée de la photogrammétrie numérique par corrélation d’images a ouvert de nouvelles applications dans l’acquisition d’information sur les géo-formes (Stojic et al., 1998). L’avantage principal de la stéréophotogrammétrie numérique sur le levé terrain c’est le potentiel d’acquérir des données continues et à très haute résolution spatiale à partir des photographies aériennes, ainsi que de fournir un suivi permanent de ces formes. Ceci devient bien avantageux dans les cas où on requiert des données détaillées et avec une fréquence d’acquisition importante.

La stéréophotogrammétrie à partir de photographies aériennes nous donne la possibilité d’étudier l’évolution de la surface de la terre avec un écart de temps et une fréquence d’acquisition beaucoup plus importante que les autres sources de données spatiales (satellite, LiDAR, Radar, levé terrain, etc.). Par contre, la résolution et la précision envisageables sont métriques ou sous métriques, ce qui peut satisfaire l’analyse de l’évolution des grandes lignes d’érosion, ainsi que l’évolution générale de ravines saisonnières et torrentielles. Elle ne peut pas nous fournir de détail sur l’évolution de la morphologie de ravines élémentaires.

La stéréophotogrammétrie à partir de photographies aériennes est très affectée par la couverture végétale au moment de la restitution du relief par stéréoscopie. Elle est très sensible aux problèmes de géométrie interne de l’appareil photo et de la prise de vue (paramètres d’orientation interne et externe), donc des erreurs systématiques peuvent affecter significativement la qualité de la restitution finale.