Support de TD QGIS 3.10 JEAN-MARC GILLIOT Analyse hydrologique sur MNA avec QGIS Durée 4,5 heures. Version 29 décembre 2020

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Durée 4,5 heures

Support de TD QGIS 3.10

Analyse hydrologique sur MNA avec QGIS 3.10

Grande école européenne d'ingénieurs et de managers

Version 29 décembre 2020

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1. Démarrage de QGIS ... 3

2. Traitements hydrologiques de base ... 5

2.1. Pré-traitement : Correction des cuvettes ... 6

2.2. Recherche des directions d'écoulement : Flow Direction ... 9

2.3. Recherche des zones d'accumulation : Flow Accumulation ... 11

2.4. Affichage amélioré du Flow Accumulation ... 13

2.5. Masquage des résultats Raster ... 15

3. Réseau hydrographique et Bassins versants vectoriels ... 16

3.1 Création du réseau hydrographique vectoriel ... 16

3.2. Création des bassins versants ... 17

4. Application à la cartographie des zones hydromorphes ... 20

4.1. Recherche de zones potentiellement hydromorphes à partir d’un MNA... 20

4.1.1. Calcul de l’Indice de Beven-Kirkby ou indice TWI (Topographic Wetness Index) ... 20

4.1.2. Formules TWI intégrées à QGIS ... 23

4.2. Analyses territoriales des zones potentiellement hydromorphes... 23

Conseil A vous de jouer Attention durée objectif clic souris : gauche droit tuto. Vidéo à retenir

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1. Démarrage de QGIS

Depuis le menu Windows : le menu de QGIS est QGIS 3.10 Dans le Menu QGIS 3.10 il y a deux raccourcis pour QGIS

Lancer QGIS Desktop 3.10 with GRASS

Le TD a été préparé avec la Version QGIS 3.10, l’installateur utilisé est l’installateur indépendant de QGIS.

https://www.qgis.org/fr/site/forusers/download.html

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Télécharger le jeu de données « La Flèche » = fichier La_Fleche.zip Décompresser le fichier ZIP dans votre disque de travail

Le dossier contient les données du TD

Depuis QGIS ouvrir le fichier de projet qui est à la racine du dossier

« LA_FLECHE »

Menu → Projet → Ouvrir Ou le bouton ouvrir

On peut aussi simplement double cliquer sur le fichier « la_fleche.qgs » dans l’explorateur de fichiers Windows, pour lancer QGIS directement avec le projet.

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2. Traitements hydrologiques de base

Ajouter BD_ALTI_SARTHE_75m.tif avec ou avec l’explorateur de fichiers

Il s’agit du Modèle Numérique de Terrain (MNT) de l’IGN à une résolution de 75 mètres.

On parle aussi de MNA (Modèle Numérique d’Altitude) pour cette couche du relief.

En anglais on parle de Digital Elévation Model (DEM)

Zoomer sur le MNT avec et cliquer sur des pixels avec l’outils d’information Durée 30 minutes objectif : voir Les notions de

direction et d’accumulation de Flux ainsi que le prétraitement des cuvettes dans les MNA.

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Une valeur unique en chaque cellule de la matrice (pixel) c’est la structure classique des couches raster, il n’y a pas de tables attributaires.

Vérifier dans les propriétés de la couche MNA que l’on utilise qu’elle est bien dans un référentiel géographique « projeté » en mètres et pas en latitude / longitude (WGS84 par ex) sinon créer une version projetée de la couche

Ici BD_ALTI_SARTHE_75m est en Lambert 93 donc bien projeté.

2.1. Pré-traitement : Correction des cuvettes

La présence de cuvettes dans le MNA peut « bloquer » l'extraction des zones d'écoulement par les traitements. Cette opération de pré-traitement est chargée de boucher ces cuvettes afin d'avoir un MNT topologiquement correct pour faciliter les calculs suivants. La présence de ces cuvettes est la plupart du temps due à la faible résolution du MNA et/ou aux algorithmes d’extraction des directions de drainage. Dans le cas de la présence de cuvettes réelles (lacs) on peut fournir à l’algorithme un fichier avec ces lacs, afin qu’ils ne soient pas boucher.

Créer une version corrigée du MNA BD_ALTI_SARTHE_75m.tif

La couche raster en entrée : BD_ALTI_SARTHE_75m

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Une couche « Filled DEM » est créée qui correspond au MNA corrigé

Visuellement on ne voit pas de différence, pour visualiser les zones qui ont été changées, faire la différence entre « Filled DEM » et « BD_ALTI_SARTHE_75m » à l’aide de la calculatrice raster (cf TD4)

Calculer la différence entre le MNA corrigé et le MNA de départ

Dans le résultat, les zones à « 0 » sont les zones qui n’ont pas été modifiées en altitude.

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Changer la légende en dégradés de couleurs « pseudo couleurs à bande unique » et mettre la valeur « 0 » en transparent, puis se localiser sur la commune de « Sillé-le- Guillaume »

Ajouter si ce n’est pas déjà fait l’extension avec le gestionnaire d’extension.

Cliquer dans la barre d’outils sur le bouton de profile tool :

Tracer avec l’outil une ligne (rouge) à travers la zone qui a été corrigée, ici en bleu

Avec le bouton « Add Layer » ajouter successivement les deux couches : Filled DEM et BD_ALTI_SARTHE_75m, on voit alors dans le graphique les deux profils topographiques (altitude le long de la ligne rouge tracée) pour chaque couche.

Remarquer le profile « vert » du MNA corrigé qui est plat, comme si on avait boucher la cuvette dans le profile « bleu » du MNA d’origine.

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Il existe plusieurs variantes de cet algorithme dans SAGA

Ainsi que dans GRASS :

2.2. Recherche des directions d'écoulement : Flow Direction

On peut aussi utiliser « r.fill.dir » pour calculer la direction des flux d’écoulement.

Calculer la couche de direction d’écoulement

Flow Direction ou Direction de Flux

Appliquer r.fill.dir sur le MNA corrigé à l’étape précédente

Afficher la couche résultat « Direction de Flux » avec une symbologie par valeurs uniques couleur « spectral »

Remarquer les 8 valeurs uniques obtenues : 45, 90, 135, 180, 225, 270, 315, 360

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Ces 8 valeurs correspondent à 8 directions en degrés, 90° étant la direction vers le Nord (rotation dans le sens inverse des aiguilles d’une montre) :

Il s’agit de l’orientation de la plus forte pente locale en chaque pixel du MNA, par rapport aux pixels « voisins »

Pour un pixel donné de la matrice raster du MNA, il y a 8 pixels voisins , sont considérés comme voisins du pixel considéré, les pixels qui lui sont connexes (le touchent) par un côté ou un coin (type de voisinage dit V8).

L’orientation de la plus grande pente peut aussi être donnée entre autres par :

Une goutte d’eau déposée en une cellule du MNA va donc s’écouler de pixel en pixel en suivant cette direction d’écoulement, on parle parfois de « l’algorithme de la goutte d’eau »

90° 45°

360°

315°

270°

225°

180°

135°

Nord

90° Nord-Est 45°

Est 360°

Sud-Est 315°

Sud 270°

Sud-Ouest 225°

Ouest 180°

Nord-Ouest 135°

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Une goutte d’eau de pluie tombe sur ce pixel

+ altitude

Direction d’écoulement vers le pixel voisin pour cette goutte

2.3. Recherche des zones d'accumulation : Flow Accumulation

Des flux d’eau vont être calculés en suivant les directions de Flow Direction, dans certains cas les flux vont converger dans un même pixel et s’additionner. Le Flow Accumulation est une matrice raster dans laquelle chaque pixel est un compteur qui comptabilise le nombre de pixels en amont qui s’écoulent vers ce pixel. Les zones de très forte valeur seront situées là où les flux d’eau convergent,

Flow Direction d’une cellule vers la voisine Flow Accumulation 90° 45°

360°

315°

270°

225°

180°

135°

0 3 1 0 1 0 0 0 1 2 2 0 2 0

0 1 3 1 2 0 0

0 1 4 1 1 2 0 0 3 3 1 1 0 0 0 0 1 1 1 2 0

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Plusieurs fonctions existent dans les boites à outils de QGIS pour le calcul du Flux d’accumulation, elles se nomment généralement « Accumulation » ou « Catchment », utilisons la fonction de SAGA :

Calculer la couche des Accumulations de Flux

Utiliser en entrée le MNA corrigé.

La couche « Catchment Area » en résultat est le Flow Accumulation, chaque cellule contient le nombre de pixels en amont qui s’écoulent vers cette cellule. Les zones blanches de forte valeur dessinent le réseau hydrographique potentiel.

Remarquer dans la légende de la couche Catchment, la valeur minimale qui est 5625, cela correspond à la surface d’une cellule en m², en effet le MNA a une résolution de 75m (vérifier dans les propriétés de la couche), ce qui correspond bien à 75² = 5625 m². Ces cellules à 5625 correspondent au cas où un seul pixel en amont s’écoule vers cette cellule.

La valeur maximale est 7.37 milliards de m² soit 7370 Km², la surface totale du MNA étant de 13540 Km².

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2.4. Affichage amélioré du Flow Accumulation

Du fait de la très grande différence de valeur (de 5625 à 7 milliards) dans le Flow Accumulation l’affichage de la couche est très peu contrasté, voyons plusieurs possibilités pour améliorer sa lisibilité.

Mettre la valeur minimale en transparence

Dans les propriétés de transparence de la couche Catchment, ajouter avec une transparence à 100% pour la valeur 5625.

On devine un peu mieux le réseau hydrographique

Affichage par transformation en Log

Quand on a une énorme différence de valeur dans les données une possibilité classique est d’afficher le Log des valeurs, avec la calculatrice raster, calculer une couche qui soit le logarithme népérien de la surface de drainage (Catchment)

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Remarquer que la gamme de valeurs est maintenant de 8.6 à 22.7, beaucoup plus facile à afficher que dans la couche Catchment initiale.

Seuillage du Flow Accumulation

On va considérer une valeur seuil des surfaces drainées (Flow Accumulation), au-dessus de ce seuil on supposera que l’on est dans le réseau hydrographique et en dessous non.

Faire le seuillage à l’aide d’une formule booléenne (vrai/faux) à l’aide la calculatrice raster.

Considérer par exemple une surface seuil de 10 hectares soit 100 000 m²

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Le résultat de la formule booléenne donne une couche binaire en 1 (vrai) et 0 (faux)

Toutes les zones blanches à 1, correspondent au réseau hydrographique potentiel.

Tester d’autres valeurs de seuil.

2.5. Masquage des résultats Raster

Comme souvent avec des résultats raster il est souvent utile de les masquer par un contour, par exemple administratif (cf TD4).

Limiter le Flow Accumulation (Catchment) au contour du département de la Sarthe

Calculer les statistiques de base du Flow Accumulation dans la Sarthe

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3. Réseau hydrographique et Bassins versants vectoriels

3.1 Création du réseau hydrographique vectoriel

Créer la couche du réseau hydrographique potentiel

A partir du Flow Accumulation précédent utiliser la fonction SAGA « Channel network »

Le MNA corrigé

Le Flow Accumulation Plus grand que

Le seuil de 10 ha

« Plus grand que » 10 ha va réaliser un seuillage de Catchment Area comme vu au point précédent, afin de ne retenir que les pixels qui ont plus de 10ha drainés en amont, comme points appartenant au réseau hydrographique.

Durée 20 minutes objectif : Comprendre l’extraction du réseau hydrographique et des bassins versants à partir du Flow Accumulation

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Trois couches sont créées en sortie : Deux couches « Channel Network » qui délimitent le réseau hydrographique (1 couche raster et 1 vecteur) et une couche Direction

Channel Direction donne la direction d’écoulement en chaque pixel selon le codage suivant :

Dans les deux autres couches, l’ordre correspond à l’ordre du tronçon hydrographique dans les sens de parcours amont vers aval, un tronçon d’ordre 1 est celui qui part de la source et se jette dans un tronçon d’ordre 2 qui se jette dans un tronçon d’ordre 3 etc … Faire une légende colorée sur l’ordre du tronçon (couche vecteur) pour visualiser l’ordre :

Plus précisément l’ordre d’un tronçon est égal à la somme des ordres des tronçons amonts qui se jettent dans ce tronçon.

3.2. Création des bassins versants

8 1

2 4 3 5 6

7

Source Source

Source

Source Source

Source Source 1

1

1 1

1

2

2 2 3

9 3

4

4 8

Remarquer que le codage directionnel peut être variable selon les fonctions (y compris le sens de rotation, trigonométrique ou horaire).

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L’algorithme « Watershed Basins » de la boite SAGA, va construire les sous bassins versants qui correspondent au réseau qui a été construit au point précédent, il va considérer comme exutoire, chaque point de jonction entre des tronçons.

Créer la couche des bassins versants

Le MNA corrigé

Le réseau des tronçons hydro.

Du point précédent

On peut fixer éventuellement une taille minimale pour les sous bassins versants pour fusionner les petits BV.

La valeur de chaque pixel correspond à un identifiant unique de chaque sous bassin versant.

Le résultat est uniquement Raster ici.

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Vectoriser les bassins versants obtenus

Utiliser par exemple la fonction GRASS « r.to.vect »

La couche à vectoriser Type Area = polygone

Cocher pour lisser les contours des polygones Laisser décocher pour que QGIS utilise la topologie des polygones

Le champ « VALUE » de la couche vecteur en résultat contient l’identifiant du BV.

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4. Application à la cartographie des zones hydromorphes

4.1. Recherche de zones potentiellement hydromorphes à partir d’un MNA

4.1.1. Calcul de l’Indice de Beven-Kirkby ou indice TWI (Topographic Wetness Index) L’indice de Beven-Kirkby ou indice TWI (Topographic Wetness Index) permet de

cartographier à partir du MNA, les zones potentiellement humides.

𝑇𝑊𝐼 = 𝐿𝑛 ( 𝐴

_𝑠

tan(𝜃

_𝑠

) )

Avec AS la surface (Area) contributive spécifique (par unité de longueur) et θs la pente en radians. La surface contributive A est la surface qui draine vers un pixel donné, c’est le Flow Accumulation vu précédemment (Catchment area).

AS peut être approximé par

𝐴

_𝑆

=

^𝐴

𝑑

Avec d la résolution en m du pixel (côté du pixel), dans notre cas ici 75 mètres et A en m².

Ln est le logarithme népérien, pour la fonction tangente : tan(

θ

s), pour éviter le risque de division par zéro dans le calcul de TWI (pente nulle), vous pourrez remplacer au dénominateur tan(𝜃_𝑠) par tan(𝜃_𝑠 + 𝜀), avec ε une très petite valeur : 0.0001 par exemple.

Le numérateur (surface contributive) correspond à la quantité d’eau arrivant sur un pixel, alors que le dénominateur va donner ce qui peut être évacuer du pixel en fonction de la pente locale, le rapport des deux donnera l’accumulation potentielle de l’eau en ce pixel.

Donc, plus l’indice sera élevé plus on pourra avoir de l’eau qui s’accumule.

Durée 70 minutes objectif : Savoir cartographier et analyser les zones potentiellement hydromorphes à partir d’un MNA

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Recalculer un Flow Accumulation (Catchment) avec l’algorithme « Multiple Flow direction » cette méthode est plus adaptée que la méthode par défaut pour le calcul du TWI.

Calculer une carte de pente dont on a aussi besoin pour la formule de TWI

Par exemple avec :

Attention le résultat est en degrés.

Appliquer la formule du TWI avec la calculatrice Raster

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Faire un affichage en trois classes avec interpolation discrète pour n’afficher que trois classes et pas un dégradé comme ci-dessus.

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4.1.2. Formules TWI intégrées à QGIS

Comparer votre calcul avec les résultats obtenus avec les formules TWI existantes dans QGIS.

Il y aussi un indice dérivé du TWI dans SAGA :

Attention le résultat d’un calcul TWI peut notablement changer en fonction des choix des algorithmes, des paramètres et de la résolution du MNA, ce qui fait qu’il n’est pas toujours aisé de comparer des résultats entre différentes études.

Voir cette étude comparative sur ces influences :

Martin Kopecký, Martin Macek, Jan Wild,Topographic Wetness Index calculation guidelines based on measured soil moisture and plant species composition, Science of The Total Environment, Volume 757,2021

4.2. Analyses territoriales des zones potentiellement hydromorphes

Créer un raster « hydromorphie » en 3 classes du département de l’Oise Vous masquerez l’extérieur du département

Vous considérerez comme seuils des classes de l’indice TWI : Faible

Moyen Fort

Calculer et cartographier pour chaque commune de la Sarthe, la proportion du territoire communale qui est dans les deux plus grandes classes d’hydromorphie

Créer à partir de Corine Land Cover une couche des zones cultivées de la Sarthe.

Calculer et cartographier, pour chaque commune de la Sarthe, la surface de cultures en zone hydromorphe (les deux plus grandes classes hydromorphie)

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