3.2 Les syst` emes de mesure non-intrusifs
3.2.4 Uniquement les vitesses de surface
Pour tous ces instruments non-intrusifs, la vitesse mesur´ee est celle de la surface libre de la rivi`ere. Il faut donc interpoler cette information pour calculer un profil vertical de vitesse. On retrouve les mˆemes probl`emes d’interpolation que ceux ´evoqu´es en chapitre 1.2.4 pour la m´ethode intrusive par exploration du champ de vitesse, mais avec la contrainte additionnelle que seul un point du profil vertical, celui en surface, est connu. On discutera plus en d´etail ce point dans la partie suivante, en chapitre 4.2.3.2.
Conclusion de la partie
Le d´ebit des rivi`eres est une grandeur difficilement estimable.Les technique hydrom´etriques op´erationnelles classiques, dont la plus r´epandue est la m´ethode par exploration du champ de vitesse, sont toutes intrusives, c’est `a dire que l’appareil de mesure doit ˆetre totalement ou partiellement immerg´e dans l’eau. Ceci pose de nombreux probl`emes, sp´ecialement pour les mesures en crues et en ´etiages. La lourdeur d’utilisation et les proc´edures de mise en oeuvre des techniques de jaugeages classiques font que 80% des rivi`eres fran¸caises ne sont pas jaug´ees pour des d´ebits sup´erieurs au d´ebit d´ecennaux.
Les jaugeages ont comme but, la plupart du temps, l’´elaboration ou l’actualisation de la courbe de tarage d’un site, permettant l’estimation continue du d´ebit `a partir de la simple lecture du niveau de la surface libre. Malheureusement, les courbes de tarage peuvent ˆetre fortement variables dans le temps, et leur extrapolation pour l’estimation des d´ebits dans des gammes non jaug´ees est entach´ee d’une incertitude importante. Il est donc essentiel de pouvoir multiplier les mesures, `a faible coˆut, pour actualiser le plus souvent possible les courbes de tarages, et des mesures en conditions extrˆemes sont n´ecessaires pour augmenter la partie interpol´ee de la courbe de tarage.
R´ecemment les hydrologues, et particuli`erement les mod´elisateurs, ont mis en ´evidence leurs besoins et les lacunes en mesures fortement spatialis´ees telles que des estimations de d´ebits le long d’un r´eseau hydrographique pendant un ´ev´enement de crue, ou des champs de vitesse instantan´es en diff´erentes sections strat´egiques d’une rivi`ere.
Un r´eel besoin de moderniser l’hydrom´etrie est donc ressorti des attentes des hydrologues. Les techniques non-intrusives, c’est `a dire pour lesquelles les appareils de mesure ne sont pas en contact avec l’eau de la rivi`ere, sont int´eressantes et prometteuses. Parmi celles-ci, on recense les techniques Radar et Lidar, depuis un avion, un satellite, ou depuis une position sur la berge prot´eg´ee des dangers de la rivi`ere en crue.
L’hydrom´etrie par analyse d’image, ´egalement non-intrusive, est l’alternative sur laquelle la suite de ce travail se concentre.
Deuxi`eme partie
L’hydrom´etrie par analyse d’images
Introduction de la partie
L’hydrom´etrie par analyse d’images est une alternative tr`es int´eressante aux techniques op´ e-rationnelles classiques. Cette seconde partie traite de la technique Particle Image Velocimetry (PIV) et de son application `a la m´etrologie des rivi`eres en milieu naturel.Dans le chapitre 4, je rappelle l’origine de la technique PIV, son protocole et quelques r´esultats obtenus en exp´eriences de m´ecanique des fluides, en laboratoire. Le principe de base de la PIV consiste `a analyser statistiquement le d´eplacement de formes visibles (des traceurs) sur deux images successives. Je d´etaillerai essentiellement la technique PIV par corr´elation crois´ee, car c’est celle que j’utiliserai par la suite dans mes travaux. Une interpolation sub-pixel permet d’obtenir des d´eplacements avec plus de pr´ecision, et il est possible d’identifier des vecteurs erron´es par application de filtres.
Le terme Large-Scale PIV (LSPIV) est donn´e `a l’application de la technique PIV pour des objets d’´etude de grandes tailles, comme les rivi`eres. La cam´era doit ˆetre le plus souvent posi-tionn´ee en berge de rivi`ere, ce qui implique des prises de vues avec un angle de site important, et de fortes d´eformations dues `a la perspective. Une mesure LSPIV comporte quatre ´etapes : (i) enregistrement d’images, (ii) correction g´eom´etrique (orthorectification) des images et leur reconstruction sans effets de perspective, (iii) analyse PIV classique de deux images corrig´ees cons´ecutives et (iv) correction des vecteurs erron´es et v´erification de la qualit´e des vecteurs. Le r´esultat de cette mesure est le champ 2D des vitesses instantan´ees de surface de la rivi`ere, `a condition que des traceurs soient visibles `a la surface libre. Une revue des travaux LSPIV en rivi`ere est faite, et fort est de constater que peu d’´etudes ont ´et´e men´ees, malgr´e les r´esultats tr`es encourageant.
J’ai voulu tester les capacit´es de la technique LSPIV dans des situations de mesure non optimales. Le chapitre 5 pr´esente un syst`eme de mesure LSPIV temps r´eel, en continu, de la rivi`ere Iowa `a Iowa City (USA). Le questionnement en fondement de cette ´etude est : est-il possible d’estimer en continu et temps r´eel le d´ebit d’une rivi`ere par LSPIV, avec une bonne pr´ecision ? L’article de Hauet et al. (2005) r´epond positivement `a cette question.
Je pr´esente ´egalement dans ce chapitre les am´eliorations qui ont ´et´e apport´ees au syst`eme, au niveau de l’architecture de programmation (Hauet et Kruger, 2006), des ´equations de trans-formation g´eom´etrique, et au niveau de l’algorithmie PIV par le d´eveloppement d’un code de LSPIV utilisant des param`etres adaptatifs (Hauet et al., 2006).