Principaux systèmes de référence altimétrique

7.3.1. Les systèmes d'altitude

Un système d'altitude est défini par :

• une surface de référence des altitudes : le géoïde ;

• un type d'altitude : dynamique, orthométrique, normale.

Le géoïde est cependant une surface idéale complexe et difficile à atteindre en prati-que (cf. § 7.2). Aussi, les géodésiens se définissent une surface équipotentielle de référence conventionnelle, qu'ils appellent géoïde. Pour ce faire, ils fixent arbitrairement l'altitude d'un point, appelé point fondamental. La surface de référence souhaitée devant toutefois approcher au mieux le concept de géoïde, cette altitude correspond à la hauteur du repère fondamental au-dessus du niveau moyen de la mer, déterminé en un lieu de la côte, sur une période donnée, la plus longue possible, et calculé à partir des enregistrements d'un maré-graphe.

Ainsi, il existe a priori autant de « géoïdes » et de systèmes d'altitudes possibles que de choix réalisés pour le point fondamental et pour le type d'altitude. L'annexe C donne une idée de cette multiplicité en Europe.

La réalisation concrète d'un système d'altitude est un réseau de nivellement. Les alti-tudes de l'ensemble des repères du réseau se réfèrent de proche en proche, par techniques de nivellement, au point fondamental ou origine du système d'altitude. Des observations de gravimétrie viennent compléter les mesures de nivellement. Cette réalisation fait apparaître une nouvelle surface : la surface d’altitude zéro. Elle est définie implicitement par l'alti-tude des repères. S'il s'agit en théorie d'une équipotentielle du champ de pesanteur (géoïde conventionnel), elle s'en écarte toutefois en pratique à cause des erreurs d'observation sys-tématiques et résiduelles qui s'accumulent avec le nombre considérable de mesures élé-mentaires de nivellement nécessaires pour couvrir un territoire tel que la France.

7.3.2. Défauts des systèmes d'altitude. Cas du Nivellement Général de la France

C'est la confrontation des résultats obtenus indépendamment de l'océanographie et de

la géodésie qui a révélé une déformation particulière des surfaces d'altitude zéro de nom-breux réseaux de nivellement nationaux de par le monde, en Australie [B-10], aux États-Unis ([B-3] , [B-13]), en France [B-16] et au Royaume-Uni ([B-18] , [B-20]), par exemple.

Il est en théorie possible d'accéder au géoïde en corrigeant la surface de la mer des effets météorologiques et océanographiques qui l'en écartent. Le nivellement hydrodyna-mique s'appuie sur cette méthode. Cette technique permet de connecter des réseaux terres-tres de part et d'autre d'une étendue d'eau : îles, détroits, etc. Aussi, l'idée d'inclure des ma-régraphes dans les réseaux de nivellement offre des perspectives intéressantes. D'un côté, les géodésiens peuvent les utiliser comme points de contrôle et de contrainte d'ajustement de leurs résultats ; de l'autre, les océanographes peuvent calculer les courants marins à par-tir des différences de niveau moyen de la mer observées aux marégraphes. De fait, aucune des deux communautés n'a vraiment exploité ces possibilités. Une pente importante dans le sens Nord-Sud est apparue lorsqu'on a exprimé les niveaux moyens de la mer donnés par les marégraphes dans les réseaux d'altitude nationaux cités ci-dessus. Or, ces gradients zonaux du niveau de la mer étaient difficiles à expliquer d'un point de vue océanographi-que, d'autant océanographi-que, par ailleurs, les mesures n'indiquaient pas la présence de courants assez intenses pour les justifier.

En France, trois réseaux de nivellement ont matérialisé successivement le système d'altitude de la métropole. Le premier, engagé par P-A. Bourdaloue [1798-1868], fut im-planté entre 1850 et 1870. Le deuxième fut établi par C. Lallemand [1857-1938] entre 1880 et 1910, et le troisième par l'IGN entre 1962 et 1969. Regroupés sous le terme géné-rique de Nivellement Général de la France (NGF), les trois réalisations sont connues res-pectivement sous les noms de réseau Bourdaloue, réseau Lallemand, et réseau IGN69.

L'origine du réseau Bourdaloue fut fixée le 13 janvier 1860 par une décision ministérielle approuvant l'avis du Conseil général des Ponts et Chaussées. Il coïncide avec un niveau moyen de la mer en Méditerranée, à Marseille, matérialisé par le trait 0,40 m de l'échelle de marée en marbre qui était située à l'entrée du bassin de radoub, dans l'ancien port, près de l'intendance sanitaire et non loin du Fort Saint-Jean [B-22]. Les deux réseaux suivants sont fondés sur une même origine, établie à partir des observations du marégraphe totalisa-teur de Marseille entre le 3 février 1885 et le 1er janvier 1897. Cette origine se trouve à 71 mm sous le " zéro Bourdaloue ", soit sur la graduation 0,329 m de l'échelle du Fort Saint-Jean, et à 1,6607 m sous le repère fondamental scellé dans la salle du puits de tranquillisa-tion du bâtiment du marégraphe.

La comparaison de ces différents réseaux de nivellement a permis de mettre en évi-dence les effets systématiques liés aux observations de nivellement. Partant d'un même point origine, les réseaux Lallemand et IGN69 aboutissent à Dunkerque avec un écart de l'ordre de soixante centimètres, qui ne peut en aucun cas être attribué aux types d'altitude différents associés à chacun. En 1983, l'IGN a effectué un " nivellement de très haute pré-cision " entre les marégraphes de Marseille et de Dunkerque afin d'apporter des éléments complémentaires d'étude sur la discordance Nord-Sud observée (réalisation IGN83 réduite à une traverse Nord-Sud) [B-16]. Les résultats donnent une altitude zéro à Dunkerque qui se situe entre les valeurs du réseau Lallemand et IGN69, soit 35,39 cm au-dessus du pre-mier et 25,16 cm sous le second. Kasser [B-16] conclut à l'évidence d'une pente Nord-Sud des surfaces d'altitude zéro des réseaux Lallemand et IGN69, de part et d'autre du géoïde,

sans qu'il puisse vraiment expliquer pourquoi. De nombreux éléments laissent toutefois supposer que la réalisation IGN83, limitée à une traverse sur le territoire national, donne des valeurs bien meilleures que les précédentes.

Kasser [B-16] montre par ailleurs que les marégraphes établis le long des côtes de l'Atlantique et de la Manche présentent un niveau moyen de la mer cohérent, de quelques vingt centimètres, dans un système IGN83 prolongé artificiellement en Est-Ouest suivant les discordances zonales constatées à la latitude des marégraphes. Cet écart par rapport à la Méditerranée pourrait parfaitement s'expliquer d'un point de vue océanographique par un effet stérique dû à la différence de salinité entre les eaux méditerranéennes et atlantiques.

Marégraphe Niveau moyen de la mer dans le système IGN83 (en cm) Dunkerque

Dieppe Le Havre Cherbourg

Brest Saint-Nazaire

La Pallice Saint-Jean de Luz

28 21 30 16 17 22 26 19

Au Royaume-Uni, l'énigme de la pente du niveau de la mer apparente le long des cô-tes Nord-Sud semble également levée par des moyens techniques indépendants du nivel-lement. Une étude récente fondée sur la combinaison des données de marégraphie, de posi-tionnement précis par géodésie spatiale, et d'un géoïde gravimétrique, ne révèle aucune pente appréciable du niveau moyen de la mer sur les côtes britanniques [B-2].

Au regard de ces quelques résultats, on comprend mieux que certains proscrivent de définir exclusivement la référence d'un marégraphe sur celle d'un système d'altitude natio-nal. Chaque nouvelle matérialisation du système d'altitude est susceptible d'introduire des discontinuités d'origine non océanographique dans l'enregistrement du niveau de la mer. Il convient plutôt d'exprimer les données de marégraphie par rapport à un ensemble de repè-res locaux, ces derniers étant ensuite rattachés dans un système de référence terrepè-restre géo-centrique stable. Des séries temporelles de marégraphie cohérentes peuvent alors être cons-truites, permettant de distinguer, grâce à la géodésie spatiale, les aspects marégraphiques et océanographiques des aspects géodésiques et épirogéniques.

Il convient de souligner la difficulté de déterminer des mouvements verticaux de l'écorce terrestre à partir des nivellements nationaux successifs. Comment interpréter les écarts observés entre nivellements passés en termes de déplacements géophysiques alors que l'on admet par ailleurs que de nombreux défauts systématiques sont vraisemblablement encore incompris aujourd'hui ?

La notion d'altitude répond toutefois à de nombreuses applications Cette grandeur dynamique est indispensable au percement des canaux, à la construction des voies ferrées, etc. Elle a pour objet de permettre la détermination de l’écoulement de l’eau par gravité.

7.3.3. Le zéro hydrographique

Le zéro hydrographique ou zéro des cartes marines est le niveau de référence à partir duquel sont comptées, positivement vers le nadir, les sondes portées sur les cartes marines et, positivement vers le zénith, les hauteurs de marée. Il est choisi en France comme le ni-veau des plus basses mers astronomiques. Il s'agit d'un nini-veau théorique sous lequel le niveau de la mer ne descend que très exceptionnellement.

Le choix d'un zéro hydrographique au voisinage des plus basses mers est arbitraire, mais commode, car le marin est pratiquement toujours assuré de disposer d'au moins autant d'eau que ce qui est indiqué sur la carte. Ce choix est adopté depuis peu par les pays mem-bres de l'Organisation Hydrographique Internationale (OHI), excepté le Japon, mais sa traduction dans les faits risque de prendre du temps, car de très nombreuses cartes sont à refaire. Il pose en outre un certain nombre de problèmes de réalisation pratique et d'accès, essentiellement d'ordre technologique (cf. détails dans [R-24]).

En pratique, le zéro hydrographique s'écarte de sa définition théorique. Il est déter-miné concrètement à partir des observations de marégraphie et il est coté par rapport au repère principal du marégraphe. Une fois validée, la cote est adoptée définitivement, même si l'on s'aperçoit par la suite que, en raison de l'évolution du niveau des mers ou à cause d'une détermination initiale imprécise, elle ne correspond pas exactement au niveau des plus basses mers astronomiques. Afin de préserver la détermination du zéro, d'autres repè-res sont implantés à proximité du repère. Ils sont rattachés les uns par rapport aux autrepè-res par nivellement. L'ensemble constitue les repères de marée de l'observatoire. Ils sont consignés dans une fiche de marée et ils matérialisent le zéro hydrographique. Dans la mesure du possible, ils sont également déterminés dans le système d'altitude du nivelle-ment général.

Les zéros hydrographiques des ports français ont généralement été adoptés indépen-damment les uns des autres à une époque où les moyens techniques ne permettaient pas une détermination précise du niveau des plus basses mers. Il en résulte que l'écart entre le zéro hydrographique et le niveau des plus basses mers peut varier entre deux zones de ma-rée. Il est par exemple égal à 40 cm à Calais et nul à Dieppe.

Considérant les limitations et les difficultés des méthodes traditionnelles pour sa dé-termination et son accès ultérieur, ainsi que les progrès technologiques récents, notamment dans le positionnement par satellites, l'EPSHOM entreprend l'étude d'une nouvelle appro-che du problème qui met à contribution les techniques spatiales d'altimétrie radar et de positionnement ([R-24]).

7.3.4. Unification des systèmes de référence altimétrique

De même qu'il y a un siècle et demi, Paul-Adrien Bourdaloue constatait que la varié-té des systèmes d'altitude régionaux était une source permanente de confusions et d'erreurs aux conséquences techniques et économiques parfois lourdes, aujourd'hui, s'affirme le be-soin d'une cohérence mondiale entre les références verticales à usage maritime et terrestre.

L'idée est de mettre à profit les données d'origines diverses, associées aux surfaces de

référence verticale, afin de réaliser un système de référence altimétrique mondial de la meilleure qualité possible. La marégraphie combinée à la géodésie spatiale jouera certai-nement un rôle clé. Elle se trouve en effet en un point stratégique de liaison entre les surfa-ces de référence d'origine marine et terrestre.

Topographie terrestre

Surface d’altitude zéro Géoïde

Ellipsoïde Surface de la mer

Altimétrie radar Hydrodynamique

Marégraphie

Nivellement

Modèle de géoïde

Géodésie spatiale

Les surfaces de référence des systèmes d'altitude nationaux sont a priori cohérentes au niveau du mètre en raison de l'origine de chacune, fixée au niveau moyen de la mer en un point de la côte.

Dans un système de référence terrestre géocentrique, on peut écrire :

N H h H

N H H

N H h

D D

D D

−

−

≈

∆

⇔

+

∆ +

= +

≈

) (

) (

avec :

h : hauteur ellipsoïdale

HD : altitude par rapport à la surface de référence d'un système d'altitude

∆HD : biais entre le géoïde et la surface de référence du système d'altitude H : altitude par rapport au géoïde

N : Hauteur ellipsoïdale du géoïde, ou ondulation du géoïde

Rapp [R-21] s'appuie sur cette relation pour évaluer les biais respectifs entre les dif-férentes surfaces de référence de quelques systèmes d'altitude nationaux. Pour ce faire, il utilise les points des réseaux de nivellement qui ont été déterminés par géodésie spatiale (mesures Doppler). Les hauteurs ellipsoïdales sont exprimées dans l'ITRF90. Il calcule par ailleurs les ondulations du géoïde à l'aide d'un modèle mixte, issu des modèles OSU91A et JGM-2. Les résultats révèlent en particulier des écarts moyens qui oscillent entre -98 cm, en Tasmanie, et +4 cm en Allemagne. L'Angleterre se trouve par exemple à -87 cm. La dispersion des écarts est typiquement de l'ordre de plusieurs dizaines de centimètres. Elle est due notamment à l'incertitude d'environ 80 cm sur les hauteurs ellipsoïdales estimées à partir des données Doppler. Toutefois, la dispersion sur la valeur moyenne est bien infé-rieure si l'on tient compte du nombre de déterminations qui contribuent à son estimation.

En Europe, la Sous-commission EUREF a mis en place un groupe de travail pour mener à bien l'étude d'un réseau de référence verticale et de marégraphes en Europe, appe-lé EUVN. Le principal objectif du projet EUVN est de contribuer à l'unification des systè-mes d'altitude en Europe. Pour ce faire, le réseau EUVN comprend des points du réseau EUREF, des marégraphes, les points des réseaux de nivellement européens unifiés REUN (pays d'Europe de l'Ouest) et UPLN (pays d'Europe de l'Est) et des points des réseaux de nivellement nationaux [R-13].

Une campagne d'observations GPS (EUVN97) a eu lieu entre les 21 et 29 mai 1997.

Elle concernait 195 points du réseau EUVN, répartis sur 33 pays du continent européen.

L'objectif était de déterminer leurs coordonnées dans le système de référence terrestre ETRS89. Les résultats GPS sont disponibles [R-22]. Le groupe de travail réunit à présent les données de marégraphie et de nivellement de précision. Ces dernières rattachent les différents repères (GPS, nivellement et, le cas échéant, de marée) de chaque site. A terme, les points EUVN présenteront donc des coordonnées tridimensionnelles exprimées dans l'ETRS89 (latitude, longitude, hauteur ellipsoïdale) et des altitudes issues des mesures de nivellement et de gravimétrie. Ces données permettront d'unifier les systèmes d'altitude en Europe, d'établir des points d'appui pour la détermination d'un géoïde européen, de contri-buer à la réalisation d'un système d'altitude unique en Europe et de préparer le futur réseau de référence verticale cinématique EVS [R-2].