UN MNT DE HAUTE PRECISION SUR LA LOIRE INONDABLE
Les besoins de MNT précis sur la Loire
En 1846, 1856 et 1866, les ligériens ont connu trois crues plus que centennales. Depuis, le fleuve est resté sage et l’occupation des sols en zone inondable a fortement augmenté. Ainsi en un peu plus d’un siècle, le nombre d’habitants est passé de 30 000 à 300 000 personnes en Loire moyenne. Cette absence d’événements hydrologiques importants a développé un sentiment de sécurité illusoire au sein de la population.
Afin de mieux prévenir les dégâts dus à ces inondations, des modélisations hydrauliques ont été menées ces dernières années. Elles reposent sur des connaissances détaillées du régime hydraulique du fleuve et de son bassin versant, mais aussi sur une modélisation de la géométrie du terrain, en particulier de son altimétrie. Ces modèles permettent d’estimer les hauteurs d’eau avec une précision de l’ordre de 15 à 30 cm, sous réserve de disposer d’une modélisation de la géométrie suffisamment fine des zones d'écoulement, de données hydrologiques et hydrauliques fiables.
De ces modèles découlent des cartes de zones inondables selon différentes hypothèses (niveau du débit dans le fleuve, rupture ou non des digues …), devant aider à gérer les épisodes de crise. Là encore, connaissant par modélisation les hauteurs d’eau, il faut s’appuyer sur un modèle numérique de terrain pour déterminer les zones inondées, et leur hauteur de submersion.
Un MNT de grande précision est donc apparu indispensable, à la fois pour mieux affiner les résultats des modèles hydrauliques, mais aussi pour approcher au mieux les conséquences d’une hauteur d’eau donnée pour un secteur donné : quels sont les bâtiments touchés, à quelle hauteur, quelles sont les routes inondées, sur quelle profondeur (ce qui détermine la possibilité ou non de faire passer des secours).
Choix de la technologie
La Diren Centre et l’Equipe Pluridisciplinaire Plan Loire, en charge des études d’inondation sur la Loire Moyenne, ont donc envisagé différentes solutions.
Les MNT disponibles sur le marché ont été testés. Il en a été ainsi de la BDAlti, qui a servi à la réalisation de cartes de submersion, avec évidemment une précision limitée. Le MNT de la BDTopo s’est lui révélé décevant pour ce type d’application et a été abandonné. Enfin des levés terrain ou par photogrammétrie ont été réalisés ponctuellement.
L’idée s’est alors imposée d’envisager un levé sur toute la Loire moyenne inondable (soit 500 km de linéaire, de Nantes à Nevers, sur environ 1800 km²), avec une précision de l’ordre de 15 cm en Z, et une densité de mesure telle que les principaux obstacles (routes, remblais, digues …) ou points bas soient parfaitement connus.
La période 2000-2001 nous a permis d’approfondir les différentes techniques disponibles (photogrammétrie, radar, laser aéroporté …). Les visites de l’Office Fédéral de Topographie Suisse, qui couvre tout le territoire fédéral par cette technique, et de nos homologues Wallons du SETHY qui ont choisi la solution laser pour dresser le MNT de leurs zones inondables, nous ont convaincu que la solution la plus opérationnelle sur ce type de surface et pour les besoins de modélisation hydraulique était le laser aéroporté.
La technologie laser aéroporté consiste à réaliser un semis de points par télémétrie laser, à partir d’un capteur embarqué dans un avion ou un hélicoptère. Le capteur laser balaye le sol perpendiculairement à la ligne de vol, et récupère le ou les échos du laser sur obstacle, ce qui fournit une distance précise entre les obstacles et le capteur. Un système de positionnement de l’avion par DGPS et centrale inertielle permet de calculer précisément l’altimétrie correspondant à chacun des échos. Des techniques de filtrage permettent ensuite de reconnaître les impacts au sol de ceux sur les arbres, permettant ainsi de lever un modèle numérique avec ou sans couvert arbustif. La fréquence et le mode de balayage influent directement sur le nombre de points mesurés par m². La précision altimétrique dépend principalement du DGPS et de la centrale inertielle, ainsi que des post-traitements réalisés.
Cette technique offre une précision courante en Z de 15 à 20 cm, une densité de points importante (de 8 points par m² à 1 point par 4 m² selon la technologie) et surtout permet d’obtenir des données altimétriques sous les arbres, avec cependant un rendement de l’ordre du quart des points mesurés.
Parallèlement à notre réflexion, d’autres services envisageaient la même démarche en France. L’IFREMER a été le premier à réaliser un test probant, sur l’estran de l’anse d’Aiguillon à marée basse. La Cellule Mesure et Bilan (structure technique en charge de réaliser le suivi technique de la Loire entre Nantes et l’estuaire) a elle aussi envisagé de réaliser un levé laser de l'estuaire de la Loire. Le relevé laser a pu être réalisé en milieu 2002, à marée basse.
Appel d’offre
La Diren a passé en 2001-2002 deux appels d’offres successifs pour cette livraison de données.
Le premier appel d’offre, de niveau européen, concerne l’acquisition d’une couverture laser sur 1800 km2, en 4 tranches, ainsi qu’une couverture orthophotographique complémentaire, devant aider à contrôler la donnée laser.
Le cahier des charges insistait sur plusieurs points :
- le souhait de disposer du semis de points mesuré, en version brute (tous les points, tous les échos), le semis des échos au sommet du terrain, des bâtiments et des arbres, et le semis des points au sol (MNT), sans les arbres ni les bâtiments,
- le souhait de disposer du Grid pour le MNT, avec une maille de 1 m,
- l’importance apportée à la qualité des données. Pour cela il est demandé au prestataire de nous fournir les éléments de son plan qualité. Certaines contraintes lui sont en plus imposées (angle de fauchée limité, densité de points à atteindre, précisions). Enfin il est informé que nous engageons de notre coté une procédure qualité (voir plus loin),
- le fait que toutes les données visées par le marché sont libres d’usage pour la Diren,
- la livraison doit se faire en Lambert 93.
Enfin les vols doivent se faire hors période de végétation, et avec des niveaux d’eau faibles dans la Loire, sans obligatoirement être à l’étiage. Ces conditions assurent d’avoir peu de perte d’échos à travers la végétation, et par ailleurs de voir la majeure partie du lit mineur de la Loire.
Sur les 4 réponses à la consultation (1 anglaise, 1 belge, 1 hollandaise et 1 allemande) deux n’ont pu être analysées techniquement et financièrement, pour cause d’erreur administrative dans le dossier. La société hollandaise TerraImaging, alliée à Fit Conseil, a été finalement retenue en septembre. La technologie proposée nous annonce 1 pt/m2 hors végétation, donc 1 pt/4 m2 environ sous les arbres. L’opération (MNT laser plus orthophoto) se monte à 8 MF, sur 1800 km², soit 677 € du km².
Le second appel d’offre concerne une prestation de contrôle des données ainsi produites. Il nous a semblé en effet indispensable de procéder de manière rigoureuse au contrôle des données.
Le cahier des charges insistait sur le côté innovant de l’opération. En effet, il n’est pas courant d’avoir à contrôler de tels volumes de données, aussi précises et aussi denses. Le contrôleur devait ainsi prévoir une grande partie de sa prestation pour la mise au point d'une méthodologie de contrôle qui ne devait pas être une simple vérification du contrôle interne réalisé par ailleurs par l'opérateur laser, mais devait s'attacher à vérifier la conformité du levé avec le cahier des charges initial.
Un cabinet de géomètre (SCP Gaillard-Blomet-Legrand) allié à l’ESGT a été retenu.
De la réalisation des mesures
Janvier et février 2002 ont été des mois favorables pour le relevé laser : beau temps, niveaux de la Loire bas, pas de neige. Encore fallait-il que le prestataire obtienne les autorisations de vol.
Pour cela, les démarches ont été faites dès la fin de l’année par le prestataire auprès des services de l’aviation civile et des préfectures concernés. Les plans de vols ont été déposés, et les autorisations locales données. Cependant, l’opérateur n’étant pas français (bien qu’européen), une autorisation spéciale est nécessaire, délivrée par la préfecture de police de Paris, conformément à l’article D133-10 du code de l’aviation civile. De même, la prise de vue n’étant pas dans le spectre visible, conformément au même article, une autorisation spéciale doit être demandée à la préfecture de rattachement, ici la préfecture de police de Paris. Le contexte de Vigipirate renforcé, couplé au survol prévu de centrales nucléaires pendant la prestation, n'a pas permis au prestataire d'obtenir les autorisations de vol pour son opérateur habituel (hollandais) dans des délais compatibles avec la période hivernale 2001-2002.
Le prestataire, conscient des difficultés administratives rencontrées, a donc fait appel à une compagnie française de photographie aérienne pour réaliser une première partie du levé juste avant que les feuilles ne recouvrent les arbres en région Centre. La procédure d'autorisation s'est de fait avérée relativement rapide pour cet opérateur, de l’ordre de quelques semaines. Les conditions météorologiques étant favorables, le levé d’un tiers du territoire concerné (partie de la Loire entre Saint Laurent des Eaux et Nevers) a pu être réalisé en début avril 2002. Quatre jours ont suffi pour lever 650 km². La prise des photographies aériennes, qui elle n’a pas posé de problèmes administratifs, a aussi été en grande partie réalisée pendant l'été 2002.
Les enregistrements des paramètres de vol et des échos laser réalisés ont pu alors être traités en Hollande. Le retard dans la réalisation du vol a entraîné un délai un peu plus important dans le traitement, le planning de production du prestataire s’en étant trouvé bouleversé. Les premières données (semis de points bruts) sont arrivées fin août 2002, les données traitées ont été reçues à l’automne 2002. Leur contrôle a été lancé en fin 2002.
Usages prévus
Il faudra encore deux ans avant que toutes les données soient disponibles et validées. Ce temps sera mis à profit pour tester les méthodes d’usage de ces données dans le domaine de l’hydraulique.
Ces données ont en effet été acquises d’un côté pour affiner les modèles hydrauliques, et de l’autre pour déterminer les zones inondées selon différentes hypothèses. Les données livrées par le levé laser sont trop volumineuses pour pouvoir être manipulées dans les outils de calcul hydrauliques classiques. Il faudra donc générer par secteur d’études des TIN adaptés aux outils, reprenant les éléments caractéristiques du relief vis à vis des inondations : obstacles linéaires, points bas, volume global…
De même, il faudra réaliser des produits dérivés de ces MNT, adaptés aux études d’aménagement liées à l’eau : MNT à pas plus grand, levé des cotes sur obstacles (digues, route …), courbes de niveau … L’usage de ces données pour d'autres applications de gestion du lit de la Loire et des digues générera certainement aussi des besoins en traitements particuliers, qu’il faudra imaginer.
Ces données, et leurs versions dérivées, ont vocation à être utilisées le plus largement possible. C’est une volonté politique constante à la Diren Centre. En particulier l’accès de ces données aux services publics en charge de l’aménagement du lit de la Loire sera facilité. Cependant ces données ne peuvent être considérées comme environnementales au sens de la directive européenne de 1990.
De ce fait les conditions de cet accès ne sont pas encore complètement définies. Différentes solutions sont envisagées : la diffusion gratuite pour tous selon des modalités techniques à définir (en tenant compte d’un volume total de quelques centaines de Go) ; une diffusion au coût marginal de diffusion ; une diffusion payante pour les opérateurs privés ; une rediffusion par un tiers … Les principes généraux qui guideront le choix visent à faciliter l’accès à ces données pour tous, tout en minimisant la charge de travail correspondante à la diffusion pour les agents de la Diren.
Conclusion
L’expérience acquise et l’état des projets au niveau international montre l’intérêt d’acquérir un MNT Laser pour les études de risque d’inondation.
Cette technique alliant une précision et une densité de points très grande, avec une rapidité de levé et la possibilité (avec une perte de densité et de précision) de lever le terrain sous les arbres, permet d’obtenir rapidement les données nécessaires pour ce type d’étude.
Ce type de donnée est par ailleurs couramment utilisé pour le suivi d’installations linéaires (TGV, lignes électriques …), et pour l’implantation d’antennes de téléphonie mobile. Enfin, ce type de MNT est aussi utilisé pour la modélisation urbaine en 3 D, avec des avantages et inconvénients par rapport à des levés plus classiques (plus de détail, mais des objets moins nettement délimités).
Reste, une fois les données acquises, à mettre au point les méthodologies adaptées à la grande précision (et donc au bruit important : on « voit » les voitures) et au volume énorme de donnée disponibles.
MNE Laser (données brutes)
Bloc diagramme de MNE Laser sur le Bec d'Allier (données brutes)
Pour en savoir plus :
Gérald Barreau : Apport de l’altimétrie par laser aéroporté à la cartographie des estrans ; travail de fin d’étude, Université Louis Pasteur, Strasbourg, UFR de géographie, septembre 2000
Emmanuelle Bottu : laser scanning applied to vegetation height and roughness length determination ; travail de fin d’étude, Ecole Supérieur des Géomètres Topographes ; septembre 1998.
Joel Tignon ; levé topographique par télémétrie laser aéroportée ; Revue X-Y-Z ; n° 76, 1998
Fiche établie par Laurent Coudercy, Alain Gautheron, Arnaud Delahaye
Direction Régional de l’Environnement Centre