mémoire de soutenance de diplôme d’ingénieur insa...

Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg

Mémoire de soutenance de diplôme d’Ingénieur INSASpécialité TOPOGRAPHIE

Analyse de précision d’un lever bathymétrique de gravière

Présenté en septembre 2012 par Geoffrey BECKER

Réalisé au sein de l’entreprise Dipl.-Ing. Volker SCHWAB

Beratender Ingenieur – Vermessung

Oststraße 13

D - 77694 Kehl am Rhein

Directeur de PFE : Correcteurs :

M. Volker SCHWAB Mme Tania LANDES

Beratender Ingenieur M. Jacques LEDIG

REMERCIEMENTS

Je tiens tout d’abord à remercier très chaleureusement M. Volker Schwab quim’a accueillit dans son entreprise pour mener à bien ce projet.Mes remerciements les plus sincères vont aussi à toute l’équipe du Vermessung-sbüro Schwab, qui a su m’accepter comme un de ses membres à part entière.Merci aussi à l’équipe pédagogique de l’INSA de Strasbourg, en particulier à mescorrecteurs, Mme Tania Landes et M. Jacques Ledig, pour leurs conseils et la for-mation technique qu’ils apportent à leurs étudiants.Enfin, un grand merci à ma famille et à mes amis, qui m’ont accompagnés et sou-tenus dans cette entreprise de longue haleine.

iii

TABLE DES MATIÈRES

Table des matières v

1 État de l’art des techniques bathymétriques 31.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Les débuts : le sondage à main . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Les sondeurs acoustiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3.1 Le sondeur bathymétrique monofaisceau . . . . . . . . . . . 41.3.2 Le sondeur multifaisceaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3.3 Le sondeur multitransducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.4 La bathymétrie par LIDAR aéroporté . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.5 Détection d’obstacles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.6 Normes et spécifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.6.1 Au niveau international . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.6.2 Dans le cas du suivi de gravières . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2 La conduite d’un lever bathymétrique 172.1 Instrumentation de lever . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.1.1 Investissement dans le sondeur multifaisceaux . . . . . . . . 172.1.2 Configuration matérielle du système de lever . . . . . . . . . 19

2.2 Préparation et exécution du lever . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.2.1 Préparation au bureau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.2.2 Opérations sur le terrain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.3 Traitement des données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.3.1 Avec le logiciel Winprofil Sharp . . . . . . . . . . . . . . . . 262.3.2 Correction de pente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.3.3 Traitement du nuage de points . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3 Bilan des erreurs 373.1 Les erreurs grossières . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.1.1 Sur le positionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

v

GEOFFREY BECKER MÉMOIRE DE PFE INSA DE STRASBOURG

3.1.2 Sur la profondeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.2 Les erreurs systématiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2.1 Les erreurs dues à la construction du système . . . . . . . . 383.2.2 Les erreurs dues au milieu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.3 Les erreurs aléatoires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.3.1 Erreur de calage du transducteur . . . . . . . . . . . . . . . 463.3.2 Variations locales de célérité . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.3.3 Erreur de détection du fond . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.3.4 Précision intrinsèque du sondeur . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.4 Précision finale du lever . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Table des figures 55

Liste des tableaux 55

Bibliographie 57

vi

INTRODUCTION GÉNÉRALE

J’ai réalisé mon projet de fin d’études au sein du cabinet Volker Schwab à Kehl(D-77694). L’entreprise a été fondée en 1982 par M. Volker Schwab, mon directeurde PFE. Depuis, elle a fait du lever de gravières l’un de ses secteurs d’activités leplus important. C’est une structure de petite taille, qui emploie quatre personnes.Elle est par ailleurs active dans beaucoup d’autres domaines très variés, comme leslevers topographiques classiques, les nivellements ou l’implantation par exemple.J’ai déjà pu m’intégrer l’an dernier à cette entreprise, car j’y ai effectué mon stageST2 en fin de quatrième année.Pendant mon projet de fin d’études, j’ai principalement été encadré par M. Schwab,tout en occupant un poste d’ingénieur. J’étais donc chargé d’organiser les levers degravières en autonomie, ainsi que la gestion des emplois du temps et des person-nels à affecter à ces chantiers.Le sujet de mon projet, l’analyse de précision d’un lever bathymétrique de gra-vière, a plusieurs facettes. Tout d’abord, il devait permettre d’identifier les diffé-rentes techniques de lever disponibles, afin de voir si l’une d’entre elles pourraitmieux convenir que le sondeur monofaisceaux utilisé actuellement, et surtout siune telle technique pourrait être un investissement envisageable ou non. En effet,le côté financier n’était pas à négliger, car dans le monde de l’entreprise, et surtoutpour un poste d’ingénieur il est très important.Ensuite, il s’agissait d’évaluer les performances de notre système de lever actuel, etd’établir un protocole standardisé que nous pourrons mettre en œuvre pour toutesles gravières à venir, et qui nous assurera ainsi une uniformisation des traitements,tant au niveau matériel que logiciel. Pour évaluer les performances du systèmes, etaussi pour mettre l’accent sur les points délicats auxquels il faut prendre garde lorsde travaux bathymétriques, nous avons réalisé un bilan des erreurs qui peuvent en-tacher les mesures. Ce bilan des erreurs nous aide à détailler les contributions desdifférentes causes d’erreurs, systématiques et aléatoires. De plus, nous disposonsd’un lever indépendant, que nous pourrons comparer au nôtre afin d’évaluer laprécision in fine de notre travail.Cette étude s’articule autour de trois axes principaux, qui représentent autant de

1


parties. La première est un état de l’art des instruments et méthodes de leveractuels. Dans cette partie sont décrits les principaux systèmes comme le sondeurmultifaisceaux ou le LIDAR bathymétrique. Dans un second temps, nous nous inté-resserons à la conduite d’un lever bathymétrique. C’est aussi là que nous parleronsde l’aspect financier d’un tel lever. Nous verrons ici une méthode de travail quenous pensons être la plus adaptée et que nous mettons en place au fur et à mesurelors de tous nos chantiers de levers de gravières : trajectoire de lever optimale,matériels et logiciels à mettre en œuvre,... Enfin, nous traiterons de la précisionproprement dite, avec un bilan des erreurs exhaustif, qui nous permettra d’identi-fier les causes d’erreur principales, avant de comparer l’un de nos levers à un jeude données totalement indépendant, afin de calculer une erreur moyenne quadra-tique de nos propres observations.

Page 2/58

1

ÉTAT DE L’ART DES TECHNIQUES

BATHYMÉTRIQUES

1.1 IntroductionL’acquisition de la profondeur d’eau disponible a d’abord été une question vi-

tale pour les navigateurs, tout d’abord pour une question de sécurité. Les premiersmarins essayaient déjà de déterminer des routes de navigation en adéquation avecleur tirant d’eau. Pour cela, des sondages ponctuels à l’aide d’un poids et d’unecorde graduée étaient majoritairement utilisés.Depuis cette époque, les techniques de lever des points situés sous la surface del’eau ont quelque peu évolué, avec l’apparition au début du vingtième siècle dessondeurs acoustiques. Ces sondeurs utilisent la mesure du temps de parcours d’uneonde acoustique dont on connaît la vitesse pour déterminer la distance qui séparele sondeur du fond. Nous verrons ultérieurement les principes physiques qui ré-gissent le fonctionnement de ces appareils.C’est probablement le déclenchement de la Première Guerre Mondiale qui a misen évidence le besoin absolu de détecter des objets sous l’eau, comme des sous-marins ou d’autres bâtiments ennemis. Durant la première moitié du vingtièmesiècle, les progrès réalisés dans le domaine de l’électronique ont accéléré encorele développement des sondeurs bathymétriques et des sonars.

1.2 Les débuts : le sondage à mainLes premières traces de tels sondages datent de 1800 avant notre ère, dans

l’Égypte ancienne, selon Theberge [1989]. Pour déterminer le fond disponible sousun navire, on faisait descendre un câble muni d’un lest, le plomb de sonde, jusqu’àtoucher le fond. On pouvait ainsi déterminer la profondeur de la mer en ce point.

3


De plus, le fond du plomb de sonde était évidé. Cette cavité était remplie de suif,sur lequel les sédiments du fond marin se collaient, pour en avoir un échantillon.La profondeur était exprimée en brasses 1. On utilisait la « petite sonde » pour desprofondeurs allant jusqu’à vingt brasses et la « grande sonde » pour des profon-deurs jusqu’à cent brasses. Les poids des plombs de sonde augmentaient bien sûravec la profondeur.Toujours d’après Theberge [1989], des méthodes de sondage dérivées de la mé-thode du plomb de sonde ont été développées et utilisées jusqu’au début du ving-tième siècle. Dans le but d’acquérir des données dans des zones toujours plusprofondes, on a eu recours à des systèmes de treuils et de poulies pour faire des-cendre des poids toujours plus lourds. En effet, par de grandes profondeurs, ildevient difficile de reconnaître le moment où le lest touche le fond, à cause desfrottements de l’eau sur la corde.Fort heureusement, c’est aussi à cette période que les premiers développements au-tour de méthodes acoustiques laissent penser à une future manière de travailler,beaucoup moins longue et fastidieuse.

1.3 Les sondeurs acoustiquesOn considère le physicien français Paul Langevin (1872 – 1946) comme le père

de l’acoustique moderne. C’est lui qui met au point, avec Constantin Chilowski leprincipe du sonar en 1917.Grâce au transducteur piézoélectrique développé par Pierre et Jacques Curie à lafin du 19ème siècle, la construction d’instruments utilisant le temps de parcoursd’une onde sonore a pu débuter. Ce type d’instruments n’est pas décrit en détailsdans cette section, car il en sera fait une description plus détaillée ultérieurement.

1.3.1 Le sondeur bathymétrique monofaisceau

C’est le type de sondeur le plus couramment employé, et historiquement lepremier. Il a connu un essor considérable pendant l’entre deux guerres, avec le dé-veloppement de l’électronique de première génération. L’enregistrement se faisaitd’abord sur papier, sous forme d’échogrammes analogiques. De nos jours, toutesles données sont enregistrées au format numérique, même si une sortie sur papierthermoréactif reste possible pour certains appareils.Son fonctionnement repose sur la mesure du temps de parcours aller et retourd’une onde sonore, ou plutôt ultra-sonore, entre un émetteur et le fond de l’eau.

1. Une brasse correspond environ à une longueur de 1.6 à 1.8 m, selon les pays. C’est àpeu de choses près l’envergure des deux bras étendus d’un homme. La brasse ou fathom enanglais est encore utilisée par les marins. Sa longueur est de 6 pieds, soit 1.83m. Source :www.granddictionnaire.com

Page 4/58


Cette onde est émise et à nouveau captée par un transducteur, qui transforme uneimpulsion électrique en onde mécanique, et inversement. La théorie de fonction-nement d’un tel transducteur sera explicitée ultérieurement. Le schéma 1.1 metbien en évidence le principe de fonctionnement du sondeur, avec l’onde émisedans le faisceau d’émission en cyan, et l’onde réfléchie par le sol en vert. Le fais-ceau d’émission est représenté ici comme un cône parfait dans un souci de clarté,même si le faisceau réel ne pourra jamais satisfaire à cette condition : il y auratoujours des lobes d’émission secondaires qui vont perturber le faisceau principal,comme le montre International Hydrographic Bureau [2005], et comme nous leverrons plus en détails dans l’annexe A.A partir du temps de parcours que met l’onde à faire le trajet aller retour, connais-sant la célérité de cette onde, on peut calculer la distance qui sépare le transduc-teur du fond.

FIGURE 1.1: Principe du sondeur monofaisceau

Le principal inconvénient de ce type d’instrument est qu’il ne permet qu’une in-sonification partielle, c’est-à-dire ponctuelle du fond. En effet, à chaque mesure, lesondeur mesure la profondeur située à la verticale du transducteur. C’est pourquoil’on parle aussi de sondeur vertical en lieu et place d’un sondeur monofaisceau.Les fréquences des ondes acoustiques employées sont différentes selon les profon-deurs de la zone de lever. Plus la profondeur est grande, plus la longueur d’ondeest petite. En effet, d’après Lurton [1998], l’amortissement du son dans l’eau aug-mente très fortement avec la fréquence. Par contre, plus la fréquence est élevée,plus la résolution spatiale du sondeur est bonne. La correspondance approxima-tive entre fréquence et portée maximale est donnée dans le tableau 1.1. Certainssondeurs utilisent deux fréquences : une basse fréquence et une autre plus élevée,par exemple 30 et 200 kHz. L’utilisation de deux fréquences différentes a plusieursavantages. Tout d’abord, il faut savoir qu’une onde de basse fréquence sera réflé-chie par un matériau de densité supérieure au matériau sur lequel se réfléchit uneonde de fréquence plus élevée, comme le montre Kinsler et Frey [1962]. Cela si-

Page 5/58


gnifie donc qu’une mesure basée sur deux fréquences permet de distinguer deuxcouches géologiques différentes qui composent le fond. On peut ainsi déterminerl’épaisseur de vase au-dessus d’un fond sableux, pour peu que la profondeur nesoit pas trop importante. En effet, la pression de la colonne d’eau sur le fond rendles matériaux superficiels aussi compacts que les roches sous-jacentes, et il n’y aplus de distinctions possibles, du moins avec la gamme de fréquences citée plushaut. Par contre, Lurton [1998] décrit des sondeurs spécialement conçus pourl’exploration des premières strates sédimentaires, par l’emploi de fréquences trèsbasses (1 à 10 kHz), mais avec un niveau d’énergie très élevé.L’utilisation de deux fréquences différentes s’avère aussi efficace en présence deplantes aquatiques, et c’est d’ailleurs l’usage principal de la basse fréquence. Dansce cas, il est possible que la haute fréquence ne détecte que les plantes, alors quela basse fréquence permet la détection du sol, en traversant ce « couvert végétal ».D’un autre coté, on ne sait alors pas si ce qui est détecté par le sondeur relèvede la surface du sol, ou d’un changement de densité dans une couche plus pro-fonde. Afin de déterminer ces différentes couches, des prélèvements géologiquessont réalisés, en complément des mesures au sondeur.

Fréquence (kHz) 0.1 1 10 100 1000

Distance maximale (km) 1000 100 10 1 0.1

TABLE 1.1: Gamme de fréquences et portées approximatives, (Lurton, 1998 (mo-difié)).

Pour nos travaux de lever de gravières, nous utilisons un signal à 200 kHz,donc d’une longueur d’onde de 7.5 mm.

Sondeurs montés sur des porteurs téléguidés : Il existe de nos jours des en-treprises qui proposent le montage de systèmes de lever sur des porteurs ne né-cessitant plus de pilote à bord. Il s’agit de petits porteurs télécommandés, le plussouvent sous la forme de catamarans, comme le décrit Schmidt et Möser [2008]pour un lever bathymétrique de lac de retenue au niveau d’un barrage. Ce le-ver produirait des points avec une précision sur la coordonnée Z (écart-type) del’ordre de 0.2 m dans les zones planes et horizontales et jusqu’à 0.5 m dans leszones de pente. La société Berkenkamp Informationstechnik en association avecMBT Underwater Technology propose un tel système, basé sur l’association dedeux planches de surf montées côte à côte, comme le montre la figure 1.2. Cetteplateforme permet d’accueillir différents instruments de mesure, comme un sys-tème de positionnement ou un sondeur. Les avantages principaux de ce systèmesont son tirant d’eau très faible, de l’ordre de 20 cm d’après Berkenkamp Infor-mationstechnik [2003], et son poids et sa taille réduits ( 3,35 X 3,75 m, 100 kg) ;

Page 6/58


qui permet d’accéder à des zones auxquelles on ne peut pas forcément accéderavec un bateau classique. Le revers de ce poids et de cet encombrement réduit estsa sensibilité aux mouvements à la surface de l’eau, qui l’empêche d’avoir autantde stabilité qu’un autre porteur, ce qui peut être gênant lors de levers en eauxplus profondes. De plus, de part le fait qu’il soit guidé à distance, depuis la bergepar exemple, ne permet pas au géomètre de voir les obstacles qui pourraient setrouver sur sa trajectoire, comme les câbles de fixation de la drague, les plantes,arbustes ou bancs de sable qui affleurent par endroits. Cette méthode est donc àprivilégier pour les levers dont l’étendue permet de garder une visibilité correcteet où l’emploi d’un bateau de lever classique s’avère impossible.

FIGURE 1.2: Porteur téléguidé RoCAT pour le lever bathymétrique, (Berkenkamp,2003)

1.3.2 Le sondeur multifaisceaux

Les sondeurs multifaisceaux (SMF) ont fait leur apparition au cours des années1970. Ils reposent eux aussi sur le principe de la mesure du temps de parcoursd’une onde acoustique, mais au lieu d’envoyer à chaque fois une onde et de mesu-rer un point à la verticale du transducteur, ils mesurent la profondeur d’un grandnombre de points, répartis sur une ligne perpendiculaire à la trajectoire du bateau.La technologie la plus fréquemment employée est celle dite des faisceaux croisés :l’émission se fait dans un faisceau large transversalement et étroit dans le sens lon-gitudinal. La réception, elle, se fait dans un lobe étroit transversalement, commele montre la figure 1.3.

La détection du fond peut se faire de deux manières :– Par détection sur l’amplitude : dans ce cas, le fond est détecté au moment

où le signal franchit un certain seuil, comme c’est le cas pour les sondeursmonofaisceaux.

Page 7/58


FIGURE 1.3: Principe du sondeur multifaisceaux - Formation de voies, (Ifremer,2012)

– Par détection sur la phase : on parle dans ce cas de sondeur à interféromé-trie. Le fond est détecté lorsque le déphasage entre le signal reçu par deuxantennes proches est nul. Ces deux antennes sont en réalité formées par deuxparties voisines du transducteur de réception.

La détection par l’amplitude est mieux adaptée aux faisceaux verticaux que ladétection par la phase qui ne fonctionne pas dans ce cas. Cette dernière offreune meilleure qualité de mesure pour les faisceaux à angle d’incidence important,pour lesquels la détection par la phase est biaisée comme le montre la figure 1.4.En effet, à cause de l’incidence oblique du faisceau, le maximum d’amplitude estatteint avant le passage du déphasage à 0, d’après International HydrographicBureau [2005]. Le fonctionnement de cette méthode de détection est décrit plusamplement dans De Moustier [1988].La mise en œuvre de ce matériel se révèle tout de même un peu moins aisée

FIGURE 1.4: Détection du fond par la phase ou l’amplitude, (OHI, 2005)

que celle de sondeurs monofaisceaux. En effet, de nombreux paramètres sont àprendre en compte, qui ont une influence énorme sur le résultat des mesures, et

Page 8/58


que l’on ne rencontre que peu ou pas avec un monofaisceau. Par exemple, l’attitudeet le cap du porteur doivent être connus avec une grande précision, au risque dene pas pouvoir positionner correctement les points levés.

1.3.3 Le sondeur multitransducteurs

Il existe un type de sondeurs qui se positionne entre le sondeur monofaisceauet le multifaisceau ; il s’agit du sondeur multitransducteur. Comme son nom l’in-dique, il se compose de plusieurs transducteurs, répartis sur une ligne perpendicu-laire à la trajectoire du porteur. Il permet ainsi de lever en un seul passage autantde profils qu’il y a de transducteurs. Certes, la fauchée est plus étroite que pourun sondeur multifaisceau, mais cela reste une alternative plus économique. La dif-férence principale réside dans le fait que ces sondeurs utilisent exclusivement desondes verticales, et non avec une incidence oblique comme les systèmes multifais-ceaux : dans ce cas, la sensibilité à la réfraction est moindre. Le fonctionnementde ce sondeur est identique à celui d’un sondeur monofaisceau, car il n’est qu’unemise en parallèle de plusieurs sondeurs monofaisceaux, dont les données sont in-tégrées dans un même logiciel.Le constructeur Dr. Fahrentholz propose un tel système, nommé Hydrosearch.Celui-ci se compose de 13 transducteurs montés sur une barre transversale, adap-table au porteur. La largeur de ce bras transversal, et donc de la zone explorée estlaissée à l’appréciation de l’utilisateur. La figure 1.5 montre une vue de la réparti-tion des transducteurs (en haut) et l’affichage à l’écran lors du lever à l’aide de cesystème. Dans ce cas, la barre support a une longueur de 12 m, ce qui donne unespacement de 0,92 m entre les points levés.Ce système se complète aussi avec un système de positionnement, une centrale decap et d’attitude pour déterminer à chaque instant les positions des points.

1.4 La bathymétrie par LIDAR aéroportéLa bathymétrie par LIDAR aéroporté a fait son apparition récemment, la pre-

mière apparition de cette idée datant de 1969. Les premières expériences ont étéréalisées au cours des années 1970, essentiellement par la NASA 2 et par l’ USNavy 3.C’est au cours des années 1980 que cette technologie est passée de l’état de larecherche à l’application, avec le LARSEN-500 du constructeur canadien Optech,commercialisé en 1985, comme le décrit LaRocque et West [1999].Le principe de fonctionnement du LIDAR bathymétrique est le même que celui du

2. National Space Agency, agence spatiale américaine3. Marine nationale des États-Unis

Page 9/58


FIGURE 1.5: Le système Hydrosearch, d’après : (Fahrentholz, 2012)

LIDAR topographique classique. La différence principale entre ces deux systèmesréside dans le fait que le LIDAR bathymétrique utilise un second dispositif d’émis-sion et de réception de rayons laser, de longueur d’onde différente. Par exemple,LaRocque et West [1999] donne l’exemple du système SHOALS (Optech), qui uti-lise un rayon dans le proche infrarouge avec une longueur d’onde de 1064 nmpour détecter le sol et la surface de l’eau. En plus de ce rayon, il utilise un rayonlaser bleu-vert de longueur d’onde 532 nm, qui pénètre dans l’eau et se réfléchitsur le fond, comme le montre la figue 1.6. La profondeur de l’eau est déduite dela différence d’altitude entre la surface et le fond. Pour plus de précision, l’altitudede la surface peut être le résultat d’une moyenne sur une zone plus grande, pourlimiter l’influence des vagues ou des perturbations de la surface.L’avantage principal de ce système est qu’il permet une couverture totale et trèsrapide d’une zone de lever, avec une densité de points pouvant atteindre un pointpar m2. De plus, la largeur de la fauchée ne dépend pas de la profondeur de l’eau,comme c’est le cas pour les sondeurs multifaisceaux : en eaux très peu profondes,ces derniers voient leur fauchée très réduite, et pour obtenir une insonification

Page 10/58


totale du fond, un nombre très important de bandes de lever est nécessaire.L’inconvénient de cette technique de lever est la limitation dans la profondeurmaximale et la forte dépendance vis-à-vis de la turbidité de l’eau. En effet, dansune eau très claire, la profondeur de travail peut aller jusqu’à quelques dizaines demètres, mais en cas d’eau turbide ou chargée en particules, comme c’est souventle cas dans une gravière, le système est rapidement limité à quelques mètres deprofondeur. Typiquement, d’après LaRocque et West [1999], le LIDAR bathymé-trique fonctionne jusqu’à une profondeur équivalente à trois fois la profondeur deSecchi 4.

FIGURE 1.6: Schéma de fonctionnement d’un LIDAR bathymétrique, (LaRocque etWest, 1999)

4. Profondeur déterminée à l’aide de la méthode du disque de Secchi. C’est une méthode simpleet économique pour évaluer la pénétration verticale de la lumière dans l’eau. Le principe de laméthode consiste en la descente d’un disque de 30 cm de diamètre, blanc et noir, accroché à uncâble gradué. La profondeur de Secchi correspond à la profondeur à laquelle le disque devientimpossible à identifier. Source : http ://envlit.ifremer.fr/

Page 11/58


1.5 Détection d’obstacles

A la tâche de connaître la profondeur de l’eau en un point donné, vient s’ajou-ter celle de la description du fond, comme on la ferait en observant un paysage :d’une manière quasi photographique comme pourrait le faire un plongeur en serendant au plus près de la zone étudiée. Les sondeurs multifaisceaux, de part leurcouverture très dense du fond permettent déjà de se faire une très bonne repré-sentation de la morphologie du sol marin.Il existe néanmoins des instruments capables de représenter le fond de l’eau demanière exhaustive et visuellement agréable : les Side Scan Sonars (SSS). Cesinstruments fonctionnent aussi selon le principe de l’émission d’une onde ultraso-nore, mais ne permettent pas de mesures de profondeurs. Les systèmes SSS sonttrès utiles pour la recherche d’épaves, ou pour un repérage au cours de lever ba-thymétriques afin de définir clairement les trajectoires à parcourir lors des levers.Ils peuvent se présenter sous plusieurs formes, en étant soit remorqués derrièreun navire, ou soit accrochés directement au porteur. La première solution offrel’avantage de pouvoir travailler sur des profondeurs plus importantes. En effet, dufait des visées rasantes qu’utilise ce système, la hauteur d’eau entre le fond et lesonar doit être de l’ordre de 20 % de la fauchée. La résolution de ces systèmespeut atteindre des valeurs inférieures à la dizaine de centimètres, dans des condi-tions optimales. Le fonctionnement reposant sur le même principe que celui duRadar, des zones d’ombre peuvent apparaître, ou des échos détériorés à cause dela nature et de la granulométrie du sol.Le VWFS Deneb, navire affrété par le BSH est équipé d’un tel dispositif. Ici, il estsolidaire de la coque, et est actionné par un vérin hydraulique qui permet de ledécaler verticalement d’un mètre vers le bas, afin d’éviter les perturbations duesau porteur, perturbations dont on s’affranchit totalement en cas d’utilisation entant que « poisson » remorqué. On peut voir sur la figure 1.7 à gauche le dispositifde commande de déploiement du SSS. La fauchée est d’environ 100 m de part etd’autre du SSS pour une profondeur de 20 à 25 m. La figure 1.7 montre l’aisanceavec laquelle on peut visualiser le fond sur un sonogramme issu du SSS. On voitclairement apparaître un obstacle sur la partie gauche de l’écran : il s’agit d’unebouée de signalisation qui a coulé et a été déclarée perdue. De plus, il est possiblede mesurer grossièrement les dimensions des objets apparaissant sur l’écran, ainsique leur position approximative.

Page 12/58


FIGURE 1.7: Poste de contrôle du SSS, Photographie personnelle, 2012

1.6 Normes et spécifications

1.6.1 Au niveau international

Les levers hydrographiques se classent dans différentes catégories, établies parl’Organisation Hydrographique Internationale (OHI) dont le siège est à Monaco.Cette organisation a défini quatre ordres de lever, dans Organisation Hydrogra-phique Internationale [2011]. L’appartenance d’un lever à un ordre ou à un autredépend de la couverture de la zone, de la précision planimétrique, et bien sûr dela précision de la mesure de profondeur. Cette classification s’applique à des le-vers effectués dans le but de sécuriser la navigation, mais ils donnent une idée desordres de grandeurs de précision que l’on peut atteindre suivant la profondeur etla zone de lever.

Le tableau 1.2 nous donne un aperçu de la classification des levers en diffé-rents ordres. Ce classement se base sur la nature de la zone à lever, et le dangerque représente un obstacle non détecté dans une zone. L’acronyme « IHT » dans latroisième ligne du tableau signifie « Incertitude horizontale totale » est la compo-sante planimétrique de l’incertitude propagée totale. Cette dernière est calculée enintégrant les contributions des erreurs aléatoires et systématiques. On suppose icique la corrélation entre les erreurs dans les deux directions (longitude et latitude)est négligeable, c’est à dire que cette erreur est isotrope et que l’ellipse d’incerti-

Page 13/58


Ordre Spécial 1a 1b 2

Descriptiondes zones

Ports,Chenaux denavigation :zones où lahauteur d’eauest critique

Zones de fond<100 m, où ilexiste desélémentspouvantengager lasécurité de lanavigation

Zones de fond<100 m, où lahauteur d’eaun’est pas unproblèmepour lanavigation

Zones de fond>100 m oùunedescriptiongénérale dufond estsuffisante

IHT maximumadmissible àun niveau deconfiance de95%

2 m5 m + 5 % dela profondeur

5 m + 5 % dela profondeur

20 m + 10%de laprofondeur

IVT maximumadmissible àun niveau deconfiance de95. a est lapart del’erreur fixe, best la part del’erreur quidépend de laprofondeurd%

a = 0.25 mb = 0.0075T =

√a+ b.d

a = 0.5 mb = 0.013

a = 0.25 mb = 0.013

a = 1 mb = 0.023

Espacementmaximal entreprofils

Non défini,explorationcomplète dufond exigée

Non défini,explorationcomplète dufond exigée

La plus grandedes deuxvaleurs : 3 Xla profondeurmoyenne ou25 m

4 X laprofondeurmoyenne

TABLE 1.2: Normes minimum pour les levers hydrographiques, d’après OHI, 2005(modifié).

tude se transforme en un cercle centré sur la valeur réelle. L’acronyme « IVT » seréfère à l’ « Incertitude verticale totale » et prend en compte uniquement la com-posante verticale de l’incertitude propagée totale.L’ordre spécial et l’ordre 1a nécessitent une exploration totale du fond, c’est-à-direl’utilisation d’un sondeur multifaisceaux, alors que les ordres 1b et 2 peuvent êtreeffectués à l’aide d’un sondeur vertical monofaisceau.

Page 14/58


1.6.2 Dans le cas du suivi de gravières

Dans le cas du suivi de gravières, c’est le Landratsamt – Amt für Wasserwirt-schaft und Bodenschutz 5 qui fixe les règles à appliquer pour les documents à pro-duire lors du lever de gravière. Le Landratsamt est une administration locale encharge d’un Landkreis, comme l’Ortenaukreis, par exemple, à la frontière franco-allemande.Le suivi de gravière doit être réalisé tout les deux ans, et c’est l’exploitant qui doitprésenter les documents demandés par le Landratsamt, qui sont les suivants :

– Un rapport explicatif décrivant les écarts éventuels avec l’autorisation d’ex-ploiter, les données surfaciques et volumiques relatives à l’exploitation, leniveau de l’eau à la date du lever et le nombre de points levés.

– Un plan de masse à l’échelle 1 : 1500 comportant le fond de plan cadastral,les lignes caractéristiques de l’exploitation (ruptures de pentes, limites,...)telles qu’elles sont définies dans l’autorisation d’exploiter, des isobathes espa-cées de 2.50 m, positions de la drague au jour du lever, et toutes ses positionsantérieures.

– Un plan à l’échelle 1 : 5000 représentant les zones sur- exploitées, avec lesindications de volumes.

– Un plan à l’échelle 1 : 5000 représentant les points levés.– Des profils en travers à l’échelle 1 : 500, espacés de 25 m au maximum, et

dont la position est repérée dans les plans de masse au 1 : 1500. Ces profilsdoivent représenter les limites de l’exploitation concédée, le lever présent etle lever précédent.

– Une photo aérienne la plus récente possible au format A3.

5. Cette administration est en charge de la protection de l’eau et des sols, et est compétentedans les domaines de l’eau potable, du traitement des eaux usées, des nappes d’eau souterraines,des cours d’eau et des traitements des déchets. Elle a une mission de surveillance de la qualité del’eau et de divers polluants.

Page 15/58

2

LA CONDUITE D’UN LEVER

BATHYMÉTRIQUE

Le choix des méthodes, des instruments et du déroulement du lever condi-tionne la qualité de celui-ci. Il doit donc être en adéquation avec le cahier descharges du lever. Nous avons donc défini un cahier des charges que nos levers de-vaient respecter, en accord avec les attentes de nos clients et les prescriptions duLandratsamt.

2.1 Instrumentation de lever

2.1.1 Investissement dans le sondeur multifaisceaux

Pendant ce projet, nous nous sommes interrogés au sujet de la possibilité d’in-vestir dans un système de sondeur multifaisceaux. Pour cela, nous avons consultéles concessionnaires des constructeurs leaders de ce marché : Atlas Hydrographic,Reson, Teledyne Odom, Fahrentholz, Elac-Nautic, Kongsberg Maritime. Cela nousa permis d’établir un comparatif entre différents sondeurs, et de le résumer dansle tableau 2.1, avec l’aide de [Koomans, 2010].

Constructeur Modèle Caractéristiques Prix

Elac Nautic Seabeam 1185 180 kHz 125 000 e

Reson Hydrobat Composite 79 900 e

Reson Seabat 7101 Flow 130 000 e

Reson 8125 H 455 kHz 130 000 e

R2Sonic Sonic 2024 200 à 400 kHz 250 000 e

TABLE 2.1: Comparatif entre différents systèmes de levé multifaisceaux

17


Ce tableau montre donc qu’un sondeur multifaisceaux revient à environ 130 000epour un instrument du type Reson Seabat ou 8125H. Ceci est le coût du sondeurseul, auquel il faut rajouter :

– le prix de la centrale inertielle, environ 15 000 eHT pour une IMU 208 /SMC ;

– le prix du célérimètre de coque, environ 5 000 eHT (Odom digibar-V)– une sonde CTD pour réaliser des profils de célérité, du type Castaway Ysi,

environ 5 800 eHT– une deuxième antenne de réception GPS, environ 5 000 eHT– un logiciel d’exploitation et de lever, type Hypack Hysweep, avec formation

sur le logiciel, environ 15 000 eHT– un support adaptable au porteur, pour fixer le sondeur ainsi que les antennes

GPS, environ 2 500 eHT

Ces prix sont issus des différents devis qui nous ont été fournis par les construc-teurs, et reflètent les prix pratiqués sur le marché actuellement. L’investissementpour un sondeur multifaisceaux s’élève donc à une somme de 178 300 eHT. C’estuniquement le coût de l’investissement initial, sans compter les frais de fonction-nement, les assurances, la maintenance, etc.Une moyenne sur les trois derniers exercices du cabinet montre une utilisation an-nuelle du sondeur d’environ 120 heures par an, et ce nombre est trop faible pourpouvoir amortir un tel investissement. En effet, au vu de la vitesse d’évolution dela technique, ce matériel devient obsolète assez rapidement. De plus, la loi alle-mande impose de l’amortir sur une durée maximale de 8 ans. Dans ce cas, au vude l’utilisation annuelle moyenne, le prix de revient de l’heure s’élèverait à plus de185 eHT/heure. En comptant en plus les frais annexes, et les frais de personnel,on arrive à un coût horaire de près de 350 e/heure.Dans ce cas, même si le lever au sondeur multifaisceaux est plus rapide qu’un levermonofaisceau, le prix du lever est toujours encore trop élevé, et nos clients ne sontpeut-être pas prêts à payer ce prix.De plus, pour utiliser le sondeur multifaisceaux de manière optimale, il faut unporteur le plus stable possible, c’est à dire d’une taille relativement importante.Or c’est justement au niveau de la taille que nous sommes limités, en raison dela configuration même des gravières. Le premier point est l’accessibilité au site :étant donné que seule une minorité d’entre eux dispose d’un accès direct à unevoie navigable, il faut une embarcation transportable sur une remorque, et quel’on peut mettre à l’eau partout. Ensuite, le tirant d’eau doit être aussi faible quepossible, de manière à ne pas s’échouer dès que l’on s’approche des Flachwasser-zonen ou d’autres obstacles 1. Certain câbles ou filin des fixation de la drague ou

1. C’est pour cette raison que la société a abandonné son ancien mode de montage du sondeur :il était monté sous la coque, et se montrait trop fragile en cas de contact avec le sol.

Page 18/58


des convoyeurs affleurent aussi la surface, et il faut pouvoir passer par dessus sanscontact, car ils peuvent s’accrocher et provoquer de lourds dégâts au matériel.Enfin, d’autres câbles sont tendus au-dessus de la surface, et il faut donc passeren-dessous, ce qui interdit l’usage d’un bateau avec une cabine proéminente.Dans l’état actuel des choses, le fait d’investir dans un sondeur multifaisceaux nese justifie pas pour notre société, car les chantiers où il pourrait être mis en œuvrene sont pas assez nombreux, et d’un point de vue économique le retour sur inves-tissement s’avère trop long. Nous avons donc choisi d’effectuer nos levers à l’aidedu sondeur monofaisceau dont nous disposons, avec la configuration matérielleque nous décrirons un peu plus loin.

2.1.2 Configuration matérielle du système de lever

Nous avons donc décidé de continuer les levers de gravières à l’aide du sondeurmonofaisceau dont nous disposons. Il s’agit du Fahrentholz BBES VS 200, avecdeux transducteurs de 200 kHz. L’un des deux est utilisé en émission et l’autre enréception. Ils ont tous deux une ouverture de 8°. Le positionnement se fait par unrécepteur GPS Trimble 4700, en mode différentiel en temps réel, associé à un pi-vot en station sur un point connu. Toutes les données sont intégrées par le logicielWinprofil Sharp, qui tourne sur un ordinateur portable blindé et résistant à l’eaufixé sur le tableau de bord.Le porteur est un bateau en résine de polyester renforcée à la fibre de verre pro-pulsé par un moteur hors-bord de 25 CV. Il a une longueur de 3,5 m, pour unelargeur de 1,5 m. Le tirant d’eau est variable avec la charge (niveau de carburant,passager, etc.), mais il se situe aux alentours de 0,4 m. La coque est en forme de« triple V » vers l’avant et s’aplatit vers l’arrière. Cette forme de coque procure uneplus grande stabilité que les coques rondes ou les barques à fond plat. Nous né-cessitons en effet un porteur le plus stable possible, tout en conservant une tailleaussi petite que possible.Le sondeur, ou plutôt les transducteurs du sondeur sont fixés sur le flanc droit dela coque, à l’aide d’un montage en acier inoxydable. L’antenne GPS est fixée sur cemême montage, de sorte à ne pas avoir de translation à prendre en compte entrela position de l’antenne et celle du transducteur de réception.La figure 2.1 illustre ce dispositif de fixation. On voit en 1 un cardan qui autorisele pivotement autour de l’axe longitudinal et de l’axe transversal du bateau. Celapermet le calage à la verticale de l’ensemble, en agissant sur les coulisseaux 2 et 3.En agissant sur 2, on fait tourner le montage autour de l’axe longitudinal, et sur 3on le fait tourner autour de l’axe transversal. Une nivelle torique placée sur le tubepermet de contrôler la verticalité de l’ensemble. Il faut prendre garde à effectuerce réglage en flottaison, tout en se déplaçant à vitesse constante et équivalente àla vitesse de croisière pendant le lever, afin de prendre en compte l’enfoncement

Page 19/58


de l’arrière du bateau sous l’influence de la propulsion du moteur. Tout au long dulever il faut vérifier que le calage reste correct.

FIGURE 2.1: Système de fixation des transducteurs

Nous avons récemment apporté une amélioration à ce système, en modifiantla fixation du transducteur à la coque au niveau du cardan 1 de la figure 2.1. Eneffet, comme on le voit sur l’image, ce cardan est fixé à la coque à l’aide d’un tubeen acier inoxydable qui se visse sur une plaque sertie dans la coque, sur l’intérieurde laquelle est soudé un écrou. Ce montage est très stable et solide, et c’est celaqui pose problème. Lors de levers en eaux très peu profondes, il peut arriver quedes pierres ou des bancs de gravier affleurent à la surface, ou à une très faibleprofondeur. Il est souvent difficile de voir ces affleurements à temps, lorsque lesoleil se reflète sur la surface, ou que le vent agite légèrement celle-ci, ce qui peutconduire à des accrochages avec les transducteurs. Les transducteurs eux-mêmesne craignent rien, ils sont sertis dans des pièces en acier inoxydable. Le problèmese situe surtout au niveau de la liaison avec le bateau : en cas d’effort au niveaudu transducteur, un effort de torsion s’applique sur la liaison entre la plaque et latige. Donc, en cas d’effort, la plaque se tord, se déforme. La liaison est assurée parune tige filetée de diamètre M8, et il est déjà arrivé que le filetage de l’écrou s’useou casse. Dans ce cas, il devient impossible de continuer les levers, et il faut faireappel à du matériel lourd pour la réparation (poste à souder, meuleuse,...), dontnous ne pouvons pas disposer sur le site de lever.

Page 20/58


Pour palier ce problème, nous avons décidé d’intercaler une pièce facilement rem-plaçable sur place qui fait office de point de rupture prédéterminé. Il s’agit d’unepièce en tôle pliée d’épaisseur 1,5 mm qui vient s’interposer entre la tige et laplaque. La tôle est boulonnée sur la plaque, de manière à en être totalement soli-daire. Le tube, lui, est simplement riveté sur la tôle. Ceci permet de le fixer, maisen cas de choc ou d’effort trop important, il y a déformation de la tôle, voire rup-ture du rivet ; mais sans endommager une autre partie du système. Bien sûr, nousaurons avec nous des tôles de rechange, ainsi que des rivets afin de pouvoir re-mettre en place le montage sur site et continuer les levers.

2.2 Préparation et exécution du lever

2.2.1 Préparation au bureau

Avant de commencer le lever sur le terrain, il est important de bien définirla trajectoire à adopter pendant le lever. Pour le lever de gravières, c’est le Lan-dratsamt qui avait fixé depuis plusieurs années un lever sous forme de profils entravers espacés de 25 m, espacement toujours respecté pour les livrables clients.La société Schwab s’était rendue compte que le fait de réaliser simplement le leveren suivant ces profils tous les 25 m ne permettait pas d’arriver à un modèle numé-rique de terrain satisfaisant. En effet, cette disposition des points ne permet pasde représenter avec assez de fidélité les zones courbes, et en particulier les pentesen forme de cônes qui découlent d’un angle rentrant à la surface de l’eau. Nousavons donc décidé de modifier cette trajectoire, en accord avec le Landratsamtd’Offenbourg. A présent, nous suivons des profils en long et en travers, espacésde 20 m, qui forment une grille sur toute la surface de la gravière. De plus, nousavons décidé de lever trois bandes de points espacées d’environ 10 m et répar-ties sur l’extérieure de la gravière, et qui permettent de bien saisir le contour dupérimètre d’exploitation. La différence entre ces deux méthodes de lever est bienvisible sur la figure 2.2, qui montre une représentation en couleurs du modèlenumérique de terrain de 2010, levé uniquement selon des profils en travers et lemodèle de 2012, levé par des profils croisés. On remarque que dans le modèle de2012 toutes les parties en pente sont plus saillantes, elles ont l’air moins lissées.Cela vient du fait que pour le modèle de 2010, tous les triangles du modèle sonttrès étirés entre deux lignes de sondes. Cela a pour conséquence une très bonnedéfinition du modèle dans le sens des profils, mais une impression de flou dans lesens perpendiculaire. Dans le modèle de 2012, par contre, les triangles sont moinsétirés, et il en résulte une meilleure adaptation au terrain naturel.

Page 21/58


FIGURE 2.2: Comparaison entre les modèles numériques de terrain de 2010 (àgauche) et 2012 (à droite). La profondeur varie entre 0 m pour les zones jaunes à50 m pour les zones en bleu.

Ce changement améliore aussi la précision du calcul de cubatures. Si l’on consi-dère l’angle de talus naturel du gravier, qui est d’environ 1 : 2, et que l’on se placedans un des carrés de 20 m par 20 m, dont les contours auraient été déterminéscomme horizontaux, la différence d’altitude maximale d’un point situé au centredu carré avec les points du contour peut être de 5 m. Cette différence représenteun volume de 667 m3. Dans la réalité, ce cas extrême a une probabilité faible dese réaliser, ce qui signifie que l’erreur due à l’espacement des points est largementsurestimée ici.Il faut avoir conscience de cette erreur, et aussi du fait que nous pourrions la mi-nimiser en diminuant le pas qui sépare les lignes de profils, mais cela s’avère trèschronophage, donc représente un surcoût que nos clients ne sont pas prêts à payerpour le moment.De plus, avant de prévoir une sortie sur le terrain, il faut aussi prendre en compteles données météorologiques, afin de s’assurer les meilleures conditions possiblespour le lever. La première de ces conditions est l’absence de vent : dans ce cas, lasurface de l’eau est calme et le bateau ne subira que peu de roulis et de tangage.De plus, la conduite est plus facile, surtout lorsqu’il s’agit de suivre précisémentune ligne sur une longue distance : le vent fait dévier le bateau, et il faut sanscesse jouer de la barre pour garder le bon cap. Ensuite, un temps couvert est plusadapté que le plein soleil, car les reflets du soleil à la surface de l’eau empêchent dedétecter d’éventuels obstacles qui pourraient affleurer, près des berges en eau peuprofonde ou alors simplement les amarres de la drague. Ces dernières peuvent êtretrès dangereuses, car elles bougent lorsque la drague est en action, elles peuventsoulever voire faire chavirer le navire.Afin d’éviter tout risque d’accident, ou de blessure grave, il est important de tou-

Page 22/58


jours bien évaluer la distance qui nous sépare des obstacles, et d’avoir toujoursavec soi un gilet de sauvetage, en cas de chute.

2.2.2 Opérations sur le terrain

2.2.2.1 Système de positionnement

La première opération consiste en la mise en place du pivot pour le position-nement par GPS. Il doit bien sûr être mis en place sur un point connut en coor-données, dégagé pour suivre un maximum de satellites et éviter tout risque demultitrajet. Notre société dispose aussi d’un récepteur GNSS Trimble R8, avec unaccès par GPRS aux données du réseau Trimble VRS Now. C’est un service privédéveloppé par le constructeur Trimble qui est basé sur un réseau de stations per-manentes, en Allemagne, en Grande-Bretagne et en Europe de l’Est. Nous pour-rions donc utiliser le R8 afin de positionner nos levers bathymétriques, cela nouséviterait l’installation d’un pivot. Le problème réside dans le fait que pour bonnombre de gravières il n’y a aucun réseau téléphonique qui est disponible.Avant le lever nous pensons à bien lever un point à la surface de l’eau, pour avoirson altitude.Le lever est réalisé en coordonnées Gauss-Krueger. C’est un système de coordon-nées auquel est associé une projection cylindrique transverse et l’ellipsoïde de Bes-sel. La projection est conforme, et plusieurs zones sont définies, en fonction duparallèle de contact, couvrant chacune une région de 3° de large.Le passage des coordonnées depuis le système WGS 84 des coordonnées GPS versles coordonnées planes Gauss-Krueger se fait directement dans le logiciel Winpro-fil Sharp utilisé pour le lever.

Communication entre le système de positionnement et le logiciel d’acquisi-tion. Le récepteur transmet au logiciel un message NMEA GGA, qui est un formatde message défini par la National Marine Electronics Association, une organisationaméricaine, et qui est devenu un standard pour la communication entre les ins-truments à bord des navires. Le contenu du message GGA est défini dans TrimbleNavigation Limited [2004], et nous le reprenons dans le tableau 2.2. Ce messagecontient 14 champs séparés par des virgules. Le récepteur Trimble 4700 que nousutilisons est équipé d’un port série qui délivre ce message à une cadence de 1 Hz,comme l’indique Trimble Navigation Limited [1998]. Voici un exemple de messageGGA envoyé par le GPS :

Page 23/58


$GPGGA,124205.0,4835.24265207,N,00748.95167449,E,4,6,1.5,137.904,M,0.000,M„*50$GPGGA,124206.0,4835.24264922,N,00748.95167121,E,4,6,1.5,137.905,M,0.000,M„*54$GPGGA,124207.0,4835.24264817,N,00748.95166708,E,4,6,1.5,137.892,M,0.000,M„*51$GPGGA,124208.0,4835.24264745,N,00748.95166068,E,4,6,1.5,137.909,M,0.000,M„*54$GPGGA,124209.0,4835.24264628,N,00748.95166204,E,4,6,1.5,137.901,M,0.000,M„*5F

Champ Description

1 Heure UTC au format HHMMSS.SS

2 Latitude au format DDMM.MMMM

3 Direction de la latitude : N pour Nord et S pour Sud

4 Longitude au format DDMM.MMMM

5 Direction de la longitude : E pour Est et W pour Ouest

6 Indicateur du statut GPS

7 Nombre de satellites suivis (SV)

8 HDOP

9 Altitude de l’antenne

10 « M » indique que l’altitude est en mètres

11 Ondulation du géoïde

12 « M » indique que l’ondulation du géoïde est en mètres

13 Age des corrections GPS, non renseigné si DGPS non-utilisé

14 Identité du pivot, 0000-1023

TABLE 2.2: Descriptif du message NMEA GGA , Trimble 2004 (modifié)

Le champ 6 du message indique le statut du récepteur GPS et peut doncprendre différentes valeurs :

– 0 : Fixation des ambiguïtés non valide– 1 : Positionnement naturel– 2 : DGPS fixé– 4 : RTK, ambiguïté entière non fixée– 5 : RTK, ambiguïté entière fixée

Les deux caractères se trouvant après l’astérisque servent à contrôler le contenudu message. Ils sont calculés à partir de la totalité des caractères contenus dans lemessage, et convertis en un nombre hexadécimal à deux chiffres.

Page 24/58


Autre système de positionnement. Il existe un autre moyen de positionner lespoints de sonde que le GPS, et c’est le suivi par station totale robotisée. Cette mé-thode est certes moins facile à mettre en œuvre sur une gravière que le GPS, maiselle mérite tout de même une certaine attention.En effet, les obstacles présents sur la gravière (convoyeur, drague,...) nous obli-geraient à refaire régulièrement une mise en station sur un point nouveau, et àréaliser le lever par petits secteurs. Ces mises en station répétées jouent en faveurdu lever GPS, qui s’avère dans ce cas plus rapide malgré la nécessité d’installer unpivot.Néanmoins, pour les zones proches des berges, avec un couvert végétal qui em-pêcherait le bon déroulement de levers GPS, cette solution pourrait s’avérer judi-cieuse.

2.2.2.2 Lever des profils

Usage du sondeur. Avant de commencer le lever, il est important de mettre enplace correctement le sondeur, et surtout de veiller à ce qu’il soit bien verticalisé.Pour ce faire, il faut stabiliser sa vitesse à la vitesse de travail, c’est-à-dire environ8 km/h, et verticaliser la perche support des transducteurs à l’aide des deux visqui permettent de la faire pivoter autour de la verticale. La nivelle torique montéesur la perche permet de contrôler cette verticalité. Bien sûr, il faut contrôler cetteverticalité tout au long du lever et faire un réajustement si nécessaire.Il est possible, en fonction de la profondeur sous le sondeur, qu’il faille ajuster legain de celui-ci. En effet, le gain est le réglage de l’amplification du signal reçu :plus la profondeur est importante, plus il faut augmenter le gain, au risque dene plus pouvoir exploiter le signal reçu par le sondeur. D’un autre côté, le gainamplifie autant le bruit que le signal lui-même, ce qui peut à nouveau conduire àl’apparition d’artefacts dans les mesures. Il faut donc trouver un compromis entregain maximal et mesures correctes, qu’il faut ajuster en fonction de la profondeuret de la réflectivité du fond, qui varie selon son type (sable, vase, pierres. etc.)d’après International Hydrographic Bureau [2005].

Conduite des levers. Pour le lever proprement dit, nous utilisons le logiciel Win-profil Sharp, qui permet de collecter et de synchroniser les données provenant dusondeur et du système de positionnement. Ce logiciel tourne sur un PC sous Win-dows (XP dans notre cas) et est aussi utilisé par le BSH. La version actuelle de celogiciel est une version de transition, entre l’ancien format de stockage des don-nées (fichiers de textes avec l’extension .PRO et .WGS) et le nouveau format destockage au format .XML. Cette version stocke les deux formats de données. Unfichier est créé pour chaque profil. On entend ici par profil tout ce qui est levéd’une traite, sans interruption. A chaque fois que l’on appuie sur la touche « start »

Page 25/58


pour démarrer un lever, un nouveau fichier de profil est créé.La fenêtre de lever permet de charger un fichier .dwg ou .dxf dans lequel la trajec-toire théorique à suivre est indiquée, ainsi que la berge du lever précédent, pourpermettre de se repérer plus facilement.Le lever commence par une première phase pendant laquelle on suit la forme dupérimètre de la gravière, afin de disposer de points tout le long de la berge, etde pouvoir la représenter correctement. Cette phase se fait sur trois tours espacésd’une dizaine de mètres. Ces points permettent une meilleure adéquation du mo-dèle avec le terrain naturel, car la forme de la gravière suit rarement les lignes desonde qui sont données par la grille de 20 X 20 m. Au niveau des courbures dansla forme de la gravière, ce lever de points à la périphérie permet de raccourcir lescôtés des triangles qui seront créés avec le modèle numérique de terrain, et dedisposer d’un nuage de points plus dense dans les zones de pente, comme le faitaussi Schmidt et Möser [2008].Ensuite, le lever se fait le long des lignes de la grille que l’on a définie au bureau.

2.3 Traitement des données

2.3.1 Avec le logiciel Winprofil Sharp

Ce logiciel permet, outre l’intégration des différentes données et la planifica-tion des levers, de faire différents traitements sur ces données, afin d’éliminer lesartéfacts, les mesures aberrantes ou d’intégrer différents paramètres extérieurs.

2.3.1.1 Position

L’onglet Position-Editor permet de contrôler visuellement la position des pointsdans son ensemble, et d’éliminer les positions douteuses, dues à des ambigüitésnon fixées, par manque de satellites ou alors lors de l’interruption de la liaisonradio entre le pivot et le mobile. La figure 2.3 montre cette fenêtre d’édition despositions. Normalement, ces cas où les positions sont entachées d’erreurs sontrares, car le logiciel peut se configurer pour stopper l’enregistrement dès que laprécision du positionnement dépasse une certaine valeur (limitation sur le HDOPet le VDOP). C’est le seul traitement que nous ayons à faire sur les coordonnées Estet Nord des points, étant donné que nous utilisons un positionnement en tempsréel.

2.3.1.2 Profondeur

C’est là que la majeure partie des traitements se fait, à l’aide du module Tiefen-Editor de Winprofil. La majorité d’entre eux se fait de façon automatisée, mais

Page 26/58


FIGURE 2.3: Fenêtre de l’éditeur de positions, (Hydrosupport 2012)

certains doivent être faits à la main, car seul l’œil de l’opérateur confirmé permetde distinguer les mesures correctes de celles qu’il faut éliminer.

Nettoyage des artéfacts et données grossièrement fausses. Lors du lever, pourdiverses raisons évoquées en 3.1, certaines profondeurs mesurées par le sondeursont aberrantes, et leur élimination est indispensable. Ces artéfacts sont facilementrepérables, de par leur différence souvent très nette avec leurs points voisins. Lafigure 2.4 montre un exemple de ces points visiblement faux.

FIGURE 2.4: Fenêtre de l’éditeur de profondeurs, (Hydrosupport 2012)

Le logiciel Winprofil Sharp dispose d’un outil automatique de nettoyage de cespoints. Cet outil est réglable par deux paramètres. Le premier est l’angle de la

Page 27/58


pente maximale entre deux points successifs, et le second est l’angle minimal ausommet. Ils permettent d’éliminer les pics comme on les voit sur la figure 2.4. Cesdeux paramètres permettent d’ajuster le nettoyage à la topographie du fond : plusle fond sera plat et régulier, plus ce filtrage pourra être paramétré de façon efficace.En effet, si l’on est en présence d’un fond très plat et régulier, la pente maximaleentre deux points sera plus faible, et l’angle au sommet minimal. C’est-à-dire qu’ily a moins de petits pics, ou que les différences locales de relief ne sont pas aussimarquées. Dans le cas des gravières, en revanche, le fond naît suite au dragage dematériaux ou des éboulements et glissements de terrain qui s’ensuivent. Le reliefdu fond est donc très accidenté, et de ce fait, la présence de pics acérés, ou dedifférences d’altitude brusques ne sont pas à exclure. Il faut donc prendre gardeà ce nettoyage automatique, au risque de voir un trop grand nombre de donnéeseffacées. Dans les zones que l’on sait délicates, comme celles qui sont très prochesde la drague par exemple, il est donc préférable de contrôler visuellement lessondes, et de réserver le traitement automatisé aux endroits moins accidentés.

Chaîne de traitements automatiques. Il y a toute une série de corrections àappliquer aux données, mais qui peuvent être faites de manière automatisée. Ladescription de ces opérations est issue de Koop [2012] :

– La correction de la célérité. Notre sondeur est réglé sur une célérité standardde 1500 m/s. Cette valeur est rarement la bonne, il faut donc la remplacerpar la célérité réelle, qui est mesurée directement ou intégrée à partir de latempérature, salinité et pression.

– La correction du temps de latence dû au récepteur GPS. Cette valeur peutêtre obtenue empiriquement à partir du lever.

– La correction du niveau de référence. Par défaut, les profondeurs sont posi-tives vers le bas et le transducteur représente le zéro de cette échelle. Pourobtenir l’altitude définitive des points, on leur retire l’altitude de la surfacede l’eau, ainsi que la profondeur du transducteur. À cette étape, les altitudesdes points sont correctes, au signe près. Cela ne pose pas de problème, lessignes seront inversés lors de l’export.

– Le lissage des données. Cette opération est facultative, nous ne l’appliquonsuniquement en cas de forts mouvements du porteur. Ce lissage a pour but deminimiser l’effet des vagues sur le résultat. Il consiste donc en une correctionpériodique, dont la période correspond à celle des vagues. Une période de2 s est en général adaptée en cas de fortes perturbations.

– L’échantillonnage des données. Le sondeur enregistre les profondeurs à unefréquence de 10 Hz, ce qui représente un espacement de 20 à 25 cm entre lespoints, à une vitesse de 8 à 10 km/h. Il est nécessaire de rééchantillonner cesdonnées afin d’arriver à les gérer en totalité. Nous utilisons usuellement un

Page 28/58


échantillonnage qui nous amène à une moyenne d’un point par mètre. Cetéchantillonnage se fait en regard de la morphologie, c’est-à-dire que l’on neconserve pas simplement un point tous les mètres par exemple, mais on es-saie de conserver un maximum de points caractéristiques de la topographie.Pour ce faire, le logiciel propose une option de lissage, avec un paramètre àrenseigner. Le manuel Koop [2012] indique qu’une valeur de ce paramètreentre 0.1 pour un terrain très accidenté et 0.3 pour un terrain moins acci-denté est le meilleur compromis. Ce paramètre de lissage force le logicielà conserver un nombre de points plus important, pour peu que ces pointsreprésentent des minima ou des maxima locaux de profondeur, ou bien despoints de rupture de pente. A l’échelle d’une gravière, avec un échantillon-nage à 1 m, ce paramètre ne joue pas un rôle prépondérant, il entre surtouten ligne de compte lors de levers à plus petite échelle, où la distance entreles points est plus importante, et où le fait de ne pas prendre en compte unerupture de pente peut conduire à des erreurs plus importantes.

Ces corrections peuvent s’appliquer de façon totalement automatique à l’en-semble des données, comme la correction de célérité, du temps de latence, oucelle de niveau. D’autres corrections, comme le lissage, sont plutôt à appliquer aucas par cas, sur des zones qui forment une unité morphologique de terrain.Après le traitement par cet éditeur, les données sont sauvegardées dans des fi-chiers .PED, qui sont des fichiers de texte qui associent à chaque position l’altitudedu point correspondant (négative pour l’instant), ainsi que la date et l’heure de lamesure. Il y a un fichier de ce type qui est généré pour chaque profil.On exporte ensuite toutes ces données dans un seul fichier de points, qui contientuniquement les numéros, les cordonnées planimétriques et altimétriques des points,ainsi qu’un code si on le souhaite. Ce fichier de point est ensuite lisible par les ou-tils de DAO ou de traitement de nuages de points.

2.3.2 Correction de pente

Cette correction n’est pas prévue dans le logiciel Winprofil, et nous avons dé-cidé de la créer nous-mêmes. Nous avons utilisé pour cela le langage de program-mation R, qui est à la fois un langage de programmation et un environnement detraitement de données mathématiques et statistique libre, disponible sur le site duCRAN 2. Ce langage a été développé au cours des années 1990 et dérive du lan-gage S développé par John Chambers dans les laboratoires Bell.Ce langage permet de traiter un grand nombre de données, et grâce aux paquetsque l’on peut charger, il offre un grand nombre de fonctions qui sont déjà implé-mentées. Voyons à présent comment nous avons mis en place cette correction.

2. Collective R Archive Network : http://cran.r-project.org

Page 29/58


2.3.2.1 Le besoin de cette correction

Le sondeur interprète toujours l’écho le plus court comme étant celui qui estréfléchi par le fond directement à sa verticale. Or ceci n’est valable que dans le casd’un fond plat, Dans tous les autres cas, la mesure est biaisée d’une valeur fonctionde la profondeur et de l’angle d’ouverture du faisceau. Cette erreur est systéma-tique, elle provoque toujours une mesure plus courte que ce qu’elle est en réalité,comme le montre la figure 2.5. La solution consiste donc à corriger la profondeur,ou à déplacer les points selon la ligne de plus grande pente. Nous avons choisi detravailler sur les profondeurs, ce qui nous paraissait plus aisé.

FIGURE 2.5: Erreur due à la pente du fond

Page 30/58


Le principe de cette correction est donc d’attribuer à un point la profondeurréelle, qui est plus grande que la profondeur mesurée.

2.3.2.2 Fonctionnement

La correction de la pente ne peut pas se faire directement, car lors du levernous ne disposons pas d’information sur la pente ; ni sur sa direction ni sur savaleur. Or les valeurs de ces deux paramètres en un point sont nécessaires poureffectuer cette correction. Afin de déterminer ces paramètres nous nous basons surl’ensemble du nuage de points, en post-traitement au bureau. La première étapede cette correction est donc, de lire le fichier de points composants le nuage depoints, et de créer une matrice contenant les coordonnées des différents points.La seconde étape consiste, pour chaque point, à déterminer quels points dans sonvoisinage peuvent être utilisés pour le calcul de ces paramètres. Le choix de cespoints voisins se fait dans un rayon de recherche spécifié au début. Pour faire cetterecherche, les points sont triés en fonction de leur distance au point central, et onsélectionne ensuite les points dont la distance est inférieure à la distance spécifiée.Ces points servent à calculer les paramètres A, B et C d’un plan tel que :

Ax+ By− z+ C = 0

Un plan peut se calculer à partir de trois points au minimum. Afin d’obtenir unplan moyen, nous utilisons la méthode des moindres carrés pour pouvoir résoudrel’équation du plan en n’utilisant non seulement les trois points les plus proches,mais tous les points disponibles à l’intérieur de la zone de recherche. En effet,si l’on se contente des trois points les plus proches, le plan ainsi calculé a defortes chances de ne pas être représentatif du relief en ce point. Pour peu que lespoints soient alignés, et que l’un ou l’autre d’entre eux soit entaché d’une erreur, lapente et la direction de ce plan seraient erronées et par conséquence la correctionapportée aux mesures de profondeur le seraient aussi. L’ajustement du plan par laméthode des moindres carrés permet donc de limiter l’influence des erreurs, et delisser en quelque sorte le relief autour du point central.De plus, de cette façon il est possible de calculer les écarts entre l’altitude despoints mesurés et l’altitude du plan en ces mêmes points, ce qui permet de calculerune variance et de contrôler le bon ajustement du plan aux conditions réelles surle terrain.La pente B du plan se calcule ensuite facilement. A l’aide de cette pente, de laprofondeur mesurée L, et de l’angle d’ouverture k du faisceau issu du transducteur,il est possible de calculer à présent la correction à appliquer à la pente :

L+ l = L · cosk

2+ L · sin k

2· tanB

Enfin, un fichier de points est créé, qui contient les coordonnées des points, leursaltitudes corrigées et non corrigées, ainsi que l’erreur moyenne quadratique du

Page 31/58


plan ajusté à chaque point.Un autre problème nous est apparu lors de cette correction : que se passe-t-il sile point en question se trouve au niveau d’une ligne de rupture de pente ? Dansles gravières, il y a en effet des zones d’éboulement, où le relief est très accidenté.Dans ces zones, de véritables falaises, comme le montre la figure 2.6 sont présenteset empêchent de calculer un plan sur l’ensemble de la zone. Cela se traduit par l’ap-parition de deux groupes de points, qui diffèrent en altitude. Afin de séparer cesdeux groupes de points, nous avons mis en œuvre la fonction K-means, telle qu’elleest décrite dans R Development Core Team [2011]. Cette manipulation permet deprendre en compte dans le calcul uniquement les points qui appartiennent au bongroupe, et d’éviter ainsi que les pentes calculées ne soient énormes et erronées.Sur la figure, le point bleu appartient au groupe de points dont le plan moyen estreprésenté en vert. Sans cette séparation en groupes, le plan moyen attribué à cepoint aurait été celui en rouge, dont on voit clairement qu’il ne représente pas laforme réelle du terrain.

FIGURE 2.6: Plan moyen (en vert) calculé en présence d’une pente très abrupte

Du point de vue du temps de calcul nécessaire, notre outil de correction néces-site 10 min pour traiter un nuage de 80 000 points. C’est un temps relativementlong, certes, mais c’est le temps de calcul maximal, car aucun de nos levers degravière n’excède ce nombre de points.A présent, nous disposons d’un nuage de points corrigé, c’est-à-dire que les in-fluences des erreurs qu’il était possible de supprimer l’ont été. Voyons à présentcomment nous passons de ce nuage de points aux livrables finaux.

2.3.3 Traitement du nuage de points

Le nuage de points issu du lever bathymétrique n’est pas encore le produit finalque nous allons livrer à nos clients. Ces livrables sont de deux types. La premièrepartie rassemble des documents cartographiques, comme le plan de masse avec la

Page 32/58


représentation des isobathes au pas de 2.5 m et les profils en travers, qui serventau suivi de l’exploitation mais aussi à la planification des phases d’exploitationdans les années à venir. La seconde partie des livrables, et le résultat d’un calculde cubatures et un rapport technique concernant ces cubatures et l’exploitationréalisée depuis le dernier lever.Pour cela, il nous faut en premier lieu un modèle numérique de terrain.

2.3.3.1 Création du modèle numérique de terrain

Il convient de se poser la question du type de modèle numérique de terrain àutiliser : un modèle irrégulier triangulé (TIN) ou un modèle raster. Contrairementà un lever Lidar, par exemple, nos points ne définissent pas un quadrillage régu-lier qui pourrait être utilisé comme pas du modèle raster ; mais leur répartitionirrégulière plaide en faveur du TIN. Nous générons donc un modèle numérique deterrain suivant la triangulation de Delaunay.Le logiciel utilisé jusqu’à présent pour la création de modèles et les calculs qui s’yrapportent était AutoCad Map 3D (AutoDesk), avec un applicatif de calculs topo-graphiques B&B Soft (B&B Civil Design). Cet applicatif permet de faire l’ensembledes étapes, depuis la triangulation jusqu’à la génération de courbes de niveau, enpassant par les calculs de cubatures et le dessin de profils en travers. Or, il s’avèrequ’AutoCad gère assez mal les volumes de données importants, c’est-à-dire qu’ilnécessite des temps de calcul très longs. En effet, les points topographiques sontdes blocs, dont les attributs sont le code, le numéro, les coordonnées X et Y etl’altitude.Pour palier cela, nous avons essayé différents logiciels, comme Meshlab par exemple,mais le problème est que la grande majorité d’entre eux ne possèdent qu’une pa-lette d’outils très limités pour les calculs dont nous avons besoin. Par contre, nousavons trouvé un logiciel de topographie, Caplan, de la société Cremer Program-mentwicklung, qui peut satisfaire nos besoins. Il s’agit d’un logiciel spécifique àla topographie, et qui intègre donc de façon native les différents outils qu’il fautajouter à AutoCad à l’aide d’applicatifs comme B&B Soft ou Covadis.Un gros avantage de Caplan est que, contrairement à AutoCad, il gère très bienles volumes de données importants. Nous avons fait quelques tests, sur les don-nées de la gravière d’Achern des levers de 2010 et de 2012. Le nuage de pointsdu lever 2010 comporte 12 302 points et celui du lever 2012 en comporte 14 159.Le tableau 2.3 montre les différences au niveau du temps de traitement entre lesdeux logiciels : on voit que Caplan est nettement plus rapide, et cette différences’accentue encore plus si on augmente le nombre de points. Par exemple, pour lirel’ensemble des 80 000 points du fichier de points issus du lever de la gravière deFreistett, AutoCad prend plus de 25 min, alors que Caplan effectue cette tâche enseulement 1 min 30 s.

Page 33/58


De plus, ces deux logiciels sont compatibles entre eux, grâce au format .dxf qui estaussi supporté par Caplan. On peut donc tout à fait imaginer de faire la triangula-tion, la génération de courbes de niveau et les calculs de cubatures dans Caplan,puis de transférer les polylignes sur AutoCad afin de mettre en forme un plan pourimpression. Il est vrai qu’AutoCad garde l’avantage sur Caplan au niveau de lagestion des graphismes et de la création de présentations pour impression.

AutoCad Caplan

2010 2102 2010 2012

Lire le fichier de points 25"80 44"86 <1" 1"50

Trianguler le nuage de points 25"80 44"86 2"44 2"80

Dessiner les isobathes tous les 1 m 12"43 15"28 <1" <1"

Calcul de ∆Volume entre les deux TIN 2’40"84 16"67

TABLE 2.3: Différences de temps de traitement entre les logiciels AutoCad et Ca-plan

Nous disposons à présent d’un modèle numérique de terrain, qui va nous servirau calcul de cubatures.

2.3.3.2 Calcul de cubatures

Pour le suivi de l’exploitation, il est nécessaire de calculer différents volumes,qui sont spécifiés en annexe C, tels qu’ils sont demandés par le Landratsamt Of-fenburg. Les logiciels que nous utilisons, que ce soit Caplan ou AutoCad avec B&BSoft, réalisent ces calculs de cubatures par la méthode des prismes telle qu’elle estdécrite dans Bundesanstalt für Straßenwesen [1979].Les volumes que nous devons calculer sont les suivants :

– Volume totale de la zone concédée à l’exploitation– Volume total extrait depuis le début de l’exploitation– Volume extrait depuis le dernier lever– Volume extrait par an depuis le précédent lever– Volume extrait à l’intérieur de la zone concédée– Volume total extrait hors zone concédée depuis le début de l’exploitation– Volume extrait hors zone concédée depuis le précédent lever– Volume de remblais apporté depuis le précédent lever– Volume restant à exploiter dans la zone concédéeAfin de calculer tous ces volumes, quatre modèles numériques de terrain sont

nécessaires :– Le modèle du terrain à l’origine (avant le début de l’exploitation)– Le modèle de la zone concédée (fourni par le Landratsamt)

Page 34/58


– Le modèle issu du lever précédent– Le modèle issu du lever actuelIl faut bien noter que le calcul de cubatures ne se limite pas aux points levés

par bathymétrie, mais que l’ensemble des merlons, stocks et autres présents sur leterrain de l’exploitation au jour du lever sont à prendre en compte.La différence entre le modèle du lever actuel et celui de la zone concédée permetaussi de localiser les zones où il y a eu une sur-exploitation.

2.3.3.3 Documents cartographiques

Ces documents, bien qu’ils soient très importants, ne se situent qu’au secondplan, derrière les calculs de cubatures. Ils sont composés d’un plan de masse, d’unplan sur lequel sont représentées les zones sur-exploitées, et de profils en travers.Ces profils en travers sont en général espacés de 30 m, et permettent de bien vi-sualiser dans quelles zones il reste du matériau à exploiter et dans quelles zones ilfaut s’arrêter. On peut penser qu’il y a une incohérence entre des profils en traverstous les 30 m et des profils levés tous les 20 m : seul un profil en travers sur deuxcorrespond avec une ligne de lever. En fait, comme nous l’avons déjà dit, ce nesont pas ces profils qui font foi, mais bien le calcul de cubatures issu directementdu modèle numérique de terrain. Le fait que les profils soient interpolés et non di-rectement levés n’influe donc en aucun cas sur la précision du calcul de cubatures,contrairement aux cas ou l’on ferait un calcul par profils en long et en travers.

Nous avons vu a présent comment se déroule un lever de gravière et la façondont les données sont traitées par la suite. Cette manière de procéder est cellequi a nos yeux est la plus simple tout en offrant les meilleurs résultats possibles.Voyons à présent quelles erreurs affectent ce lever et dans quelle mesure on peutles éliminer.

Page 35/58

3

BILAN DES ERREURS

3.1 Les erreurs grossièresCes erreurs sont, en règle générale, dues à une erreur humaine, comme une

erreur de lecture par exemple. Elles sont faciles à éliminer si elles sont grossières,et peuvent être évitées en travaillant de manière méthodique et appliquée. Dansnotre cas, elles peuvent avoir effet aussi bien sur la position des points que sur laprofondeur mesurée.

3.1.1 Sur le positionnement

Ce sont des fautes assez rares, car les interventions de l’opérateur restent trèslimitées lors du lever, à part lors de la mise en place du pivot.

3.1.2 Sur la profondeur

Ces fautes peuvent soit provenir de la phase de lever sur le terrain, soit de laphase d’exploitation des données.Sur le terrain, par exemple, certaines profondeurs mesurées peuvent être le fruitde multitrajet, lorsque la profondeur est faible et que le gain est trop élevé. A l’in-verse, on peut trouver des profondeurs beaucoup trop faibles, au milieu de profon-deurs plus importantes. Celles-ci sont dues à divers éléments qui se trouvent entrele fond et la surface, comme les poissons, des plantes ou d’autres choses en sus-pension. Le sable et les particules fines en suspension dans l’eau, qui sont dus auxtravaux de dragage perturbent aussi les mesures. En effet, une forte concentrationde particules en suspension fait varier la densité du milieu, et provoque la réfrac-tion de l’onde. La figure 2.4 montre un exemple de ces valeurs aberrantes, qu’ilfaut éliminer lors du traitement et qui ne sont dans ce cas pas prises en comptedans l’évaluation de la précision.

37


3.2 Les erreurs systématiquesCe sont des erreurs qui sont toujours du même ordre de grandeur, et qui in-

fluent toujours la mesure dans le même sens. Nous essayons d’en éliminer ou dumoins d’en minimiser les maximum par construction ou par mode opératoire, maisil est tout de même important de les connaître, et d’essayer de quantifier leur in-fluence sur les mesures.

3.2.1 Les erreurs dues à la construction du système

Elles sont principalement de deux types :– Celles qui affectent la position des transducteurs ;– Celles qui affectent la mesure de profondeur

3.2.1.1 Erreurs sur le positionnement

Les erreurs qui peuvent survenir et impacter les positions sont les mêmes quecelles que l’on retrouve lors d’un lever GPS classique, et qui sont décrites dansLedig [2011].

Les excentres. Le premier biais que l’on peut rencontrer ici provient des déportset excentres entre les différents composants du système de lever, en l’occurrenceprincipalement entre le centre de phase de l’antenne GPS et le sondeur monofais-ceau. En effet, il est tout à fait possible d’imaginer que le système de position-nement détermine un point qui ne corresponde pas du tout à la localisation dusondeur. Il faut alors connaître, dans un référentiel lié au porteur, le vecteur quipermet d’aller d’un point à l’autre. Dans ce cas, une centrale d’attitude est néces-saire afin de déterminer avec précision le cap, le tangage et le roulis à chaqueinstant ; afin de pouvoir calculer la position exacte du sondeur à chaque instant.Nous avons choisi de placer notre antenne GPS directement au dessus du trans-ducteur de réception, pour pouvoir s’affranchir de ce calcul, et obtenir directementla position du transducteur de réception.

La vitesse d’avancement. Comme nous l’avons vu dans le paragraphe précé-dent, la position fournie par le récepteur GPS est bien celle du transducteur deréception. Ceci est toujours valable. Par contre, la position du transducteur necorrespond pas toujours avec la position de la profondeur mesurée, et ceci pourdiverses raisons. Intéressons-nous au déplacement du transducteur entre le mo-ment de l’émission et celui de la réception du signal.Ce déplacement est fonction de la vitesse d’avancement du porteur, et aussi de laprofondeur de l’eau à cet endroit. Par exemple, si on considère une profondeur de

Page 38/58


50 m, et une vitesse de l’onde de 1435 m.s-1, l’onde met 70 ms pour parcourirl’aller-retour vers le fond. Il faut donc que le porteur se déplace avec une vitesseaussi faible que possible, afin de limiter le déplacement entre le moment de l’émis-sion et de la réception de l’onde. Le tableau 3.1 montre, en centimètres, la distanceparcourue par le porteur pendant le temps d’aller-retour de l’onde.

Vitesse(km/h)Profondeur (m)

10 20 30 50

2 0,8 1,5 2,3 3,9

4 1,5 3,1 4,6 7,7

6 2,3 4,7 7,0 11,6

8 3,1 6,2 9,3 15,5

10 3,9 7,8 11,6 19,4

TABLE 3.1: Distance d’avancement du porteur (en cm) en fonction de la profondeuret de sa vitesse

Dans notre cas, ce décalage est le principal facteur limitant dans la vitessed’avancement. On voit que l’avancement pour 50 m de profondeur à une vitessede 8 km/h est de 15,5 cm. Or nos deux transducteurs sont espacés de 15 cm, cequi signifie que pour une profondeur de 50 m, la vitesse de 8 km/h est idéale :au moment de la réception, le transducteur de réception se trouve à la même po-sition que le transducteur d’émission au moment de l’émission. Il faut néanmoinsprendre garde lors du branchement à ne pas inverser les deux transducteurs.Dans ce cas, même si cette erreur est éliminée, une profondeur et à une vitessedonnée, il subsiste une erreur dans tous les autres cas, sauf si la vitesse était enpermanence modifiée en fonction de la profondeur. Cette erreur peut donc repré-senter dans le pire des cas un décalage de 15 cm, mais elle sera en partie rattrapéepar le temps de latence, que nous verrons dans le paragraphe suivant.

Le temps de latence. Le système de positionnement par GPS nous fournit descoordonnées avec une fréquence de 1 Hz. Or, entre le moment où le point est« topé » par le récepteur et le moment où celui-ci envoie ses coordonnées à l’ordi-nateur s’écoule un certain temps, que l’on appelle le temps de latence. Les profon-deurs mesurées ont donc toujours une certaine avance par rapport à leur position,qui dépend elle aussi de la vitesse d’avancement du porteur.Il existe plusieurs manières de déterminer ce temps de latence. La première d’entreelles est décrite dans International Hydrographic Bureau [2005]. Cette techniqueconsiste en le lever à deux reprises du même profil, mais à deux vitesses diffé-rentes v1 et v2. Le terrain doit être en pente, de sorte qu’il y ait une variation deprofondeur. Dans le cas contraire, un décalage entre les valeurs passerait inaperçu.

Page 39/58


De plus, la pente doit être régulière et la distance assez longue pour permettre unedétermination optimale de ce paramètre. Dans ce cas, le temps de latence δt se cal-cule de la manière suivante, avec ∆X qui représente la distance entre deux pointsde chaque profil qui ont la même profondeur, comme le montre la figure 3.1 :

δt =∆X

v2 − v1

FIGURE 3.1: Procédure de détermination du temps de latence, (OHI, 2005)

Cette méthode nécessite une pente assez forte, longue et régulière pour déter-miner ce paramètre avec précision. De plus, la différence de vitesse doit être aussigrande que possible, d’après International Hydrographic Bureau [2005]Nous avons préféré un autre mode opératoire, mieux adapté à la morphologie denos sites de lever. Étant donné que nous réalisons nos levers en parcourant unegrille de 20 m par 20 m, nous disposons aux endroits où se croisent les profilsde points doubles, qui ont en théorie une profondeur identique. Si le temps delatence n’est pas corrigé, ces points doubles ne pourront donc pas avoir la mêmeprofondeur. La correction à déterminer pour le temps de latence est donc cellepour laquelle on obtient la meilleure concordance au niveau des points doubles.Jusqu’à présent, cette détermination s’est faite par dichotomie, en appliquant unepremière valeur, et en contrôlant l’effet de cette correction au niveau des inter-sections de profils en long et en travers. Cette valeur est ensuite ajustée jusqu’àobtenir la meilleure concordance possible sur l’ensemble de la gravière. Le temps

Page 40/58


de latence qui correspond le mieux est de 1.54 s. C’est une valeur relativement im-portante, si on la compare avec des valeurs de quelques dizaines ou centaines dems comme elles sont évoquées dans International Hydrographic Bureau [2005].Cette différence peut s’expliquer par le fait que notre récepteur GPS dispose d’uneélectronique moins rapide que les modèles plus récents, mais aussi par le fait quece n’est pas uniquement le temps de latence qui est corrigé ici. En effet, lors decette détermination, une autre erreur systématique a été négligée. Il s’agit de l’er-reur due à la pente, qui est décrite en 3.2.1.2, et qui fausse le positionnement despoints levés.

3.2.1.2 Erreurs sur la profondeur

Tirant d’eau et profondeur du transducteur. La profondeur d’immersion dutransducteur peut être déterminée de manière très précise lors de phases statiques,c’est-à-dire lorsqu’aucun mouvement ne vient perturber la stabilité du porteur.C’est une grandeur que l’on peut considérer comme intrinsèque du système.On voit dans ce cas le premier problème qui apparaît pour la détermination de laprofondeur du transducteur pendant la phase de lever : le tirant d’eau n’est pasconstant tout au long de l’opération.D’une part, il se modifie en raison de la modification de poids du porteur, en l’oc-currence à cause de la consommation de carburant, qui fait diminuer le poids,mais certes de façon négligeable au vu du poids total du porteur : consommationde 30 L d’essence au maximum dans la journée, contre un poids du bateau quiavoisine les 600 kg. Une autre raison est l’enfoncement du bateau dans l’eau lorsde la propulsion, ce que l’on appelle le squat. Cet effet d’aspiration vers les sols seproduit lorsqu’un navire évolue à vitesse importante avec une hauteur d’eau sousquille réduite, comme le décrit Briggs [2006] : des vitesses de plus de 6 nœudssont nécessaires pour observer un sur-enfoncement notable.Finalement, la modification de l’enfoncement du transducteur n’a pour causesprincipales que les mouvements du pilote, et ceux induits par l’agitation de lasurface de l’eau.Nous avons d’abord mesuré la profondeur du transducteur sous le niveau de l’eau,et nous avons obtenu une valeur de 26 cm. Ensuite, nous avons extrait des fichiersde données issues d’un lever les altitudes de l’antenne GPS. Nous avons donc faitune moyenne de ces altitudes, après avoir supprimé celles qui avaient l’air visi-blement fausses ( écarts trop importants avec le reste des données). Comme nousconnaissons l’altitude de la surface de l’eau au moment du lever ainsi que la lon-gueur (fixe) qui sépare l’antenne GPS du transducteur, nous avons pu en déduire laprofondeur d’enfoncement moyenne du transducteur. La précision de cette déter-

Page 41/58


mination est avant-tout dépendante de la précision de détermination de l’altitudede la surface de l’eau, qui est d’environ ±1 cm.

Erreur due à la pente. Cette erreur s’explique par les lois physiques qui régissentle fonctionnement d’un transducteur, et peut être comparée à l’erreur de mesurede la distance qui apparaît avec un distance-mètre laser, un tachéomètre à mesuresans réflecteur ou un scanner laser lors d’une visée rasante.Lors de levers bathymétriques de fonds avec une certaine pente, les mesures deprofondeur sont entachées d’une erreur qui dépend de la pente, de la profondeuret de l’angle d’ouverture du transducteur. Il s’avère que la profondeur mesurée Len un point est toujours plus faible que la profondeur réelle en ce point qui estL+ l, comme le montre le schéma 2.5.

La valeur que nous cherchons à déterminer, qui représente l’erreur due à lapente est cette valeur l. Il nous est possible de la calculer par relations trigono-métriques à partir du demi angle d’ouverture k

2, de la profondeur mesurée L et

de la pente du terrain B. On peut donc exprimer la profondeur L + l de la façonsuivante :

L+ l = L · cosk

2+ L · sin k

2· tanB

Le problème principal lors de cette correction repose dans la détermination de lapente au point où cette profondeur a été mesurée.En effet, il serait possible de la déterminer à partir des données du profil dont laprofondeur est extraite si ce profil suivait la ligne de plus grande pente. Or cecin’arrive pas dans tous les cas, et même si cela se produit, nous ne pourrions pas lesavoir. Afin de palier à ce problème, nous avons eu l’idée de travailler sur le nuagede points dans sa globalité, ce qui permet de calculer une pente approchée surla zone concernée, que l’on approxime par un plan. Cette méthode suppose doncque l’on travaille sur la totalité de la zone de lever, au risque de devoir traiter desvolumes de données assez importants (plusieurs dizaines de milliers de points).La précision de cette méthode de correction dépend fortement du relief. Plus cedernier sera accidenté, moins la précision de l’ajustement du plan moyen serabonne, et donc la détermination de la pente locale en un point.

3.2.2 Les erreurs dues au milieu

L’eau est un milieu dont il n’est pas facile de déterminer précisément les ca-ractéristiques. Cette imprécision sur les caractéristiques du milieu, en particulierla température peut être considérée comme source d’une erreur systématique, carau cours d’un lever elle biaise les observations d’une valeur qui varie certes avecla profondeur, mais qui agit toujours dans le même sens, et dans un ordre degrandeur comparable.

Page 42/58


3.2.2.1 La température de l’eau

Gradients de température et impédance acoustique. La température dansune étendue d’eau n’est en général pas uniforme, bien au contraire. Si on prendl’exemple de l’océan, il se divise en couches horizontales dont la température esttrès variable. Ces couches sont qui plus est accentuées par les courants chauds oufroids qui déplacent les masses d’eau à des profondeurs différentes. C’est pourquoides profils de température sont réalisés. Chaque couche peut donc être considé-rée comme un milieu différent, possédant ses propres caractéristiques, notammentson impédance acoustique, qui est comparable à l’indice de réfraction d’un milieudans la loi de Descartes qui s’applique pour les ondes lumineuses. Cette impédanceacoustique Z est définie par Kinsler et Frey [1962] comme une constante dépen-dant de la masse volumique ρ et du coefficient de compressibilité χ du milieu :

Z =

√ρ

χ

De cette impédance dépend aussi la célérité des ondes sonores dans le milieu :

c =Z

ρ

Le coefficient de compressibilité se calcule comme une variation de volume sousl’effet d’une pression, et s’exprime en Pa−1 :

χ = −1

V

dV

dP

Le coefficient de compressibilité est constant pour un fluide donné. La masse volu-mique, elle, augmente lorsque la température diminue. Pour l’eau douce, à 20°C,la valeur de l’impédance acoustique Z est de 1.48.106 kg.s−1.m−2, toujours d’aprèsKinsler et Frey [1962].La loi de Snell-Descartes a son pendant pour les ondes acoustiques, lorsqu’uneonde sonore dans une eau d’impédance Z1 passe dans une eau d’impédance Z2.Cette onde fait un angle d’incidence i1 avec l’interface entre les deux milieux, et larelation entre les deux s’écrit :

Z2 sin i1 = Z1 sin i2

Une colonne d’eau en mer, par exemple, peut être considérée comme une suc-cession d’une infinité de milieux horizontaux ayant chacun une impédance légère-ment différente, ceci étant dû aux variations de température le long de la verticale.Ces gradients de température influent beaucoup plus fortement sur les levers ausondeur multifaisceaux que sur les levers au sondeur monofaisceau. Pour ces der-niers, l’onde sonore est dirigée verticalement, ce qui fait donc qu’elle a un angled’incidence nul, alors que dans le cas des sondeurs multifaisceaux, les ondes sontdéviées de la verticale, et ce de plus en plus au fur et à mesure que l’on s’éloignedu nadir.

Page 43/58


Température et célérité de l’onde. Comme nous l’avons vu au paragraphe pré-cédent, la célérité de l’onde dans l’eau dépend de la température de celle-ci. Lorsde levers en haute mer, ou dans des zones où les variations de température peuventêtres importantes, il est nécessaire de contrôler la célérité de l’onde tout au long dulever. Ces zones sont souvent des zones d’estuaires, où de l’eau plus froide vient semélanger à de l’eau plus chaude, comme en mer du Nord, où l’Elbe vient se jeter,ou dans le Lac de Constance, dans lequel se jette le Rhin encore très froid. L’eaufroide, plus dense, plonge en poussant l’eau plus chaude vers le haut. Tolstoy etClay [1966] illustre bien les zones de températures différentes que l’on retrouveen mer, dues aux courants, et dont l’épaisseur et la température varie selon la po-sition.Les gravières, bien que situées au bord du Rhin, ne bénéficient, sauf exception,pas d’une liaison directe ni avec le fleuve, ni avec un autre cours d’eau provoquantune brassage de la masse d’eau. L’eau des gravières est issue de l’eau de la nappephréatique, qui est très peu profonde dans tout le bassin rhénan. Les échangesentre l’eau de la gravière et celle de la nappe sont très importants comme le dé-crit Helmig [2004], si bien que la température de l’eau dans les gravières varietrès peu tout au long de l’année. Bien sûr, dans la partie superficielle, la tempéra-ture varie en fonction des conditions météorologiques. Le bureau d’études RiverConsult de Karlsruhe est très actif dans les gravières pour le suivi de l’état de l’eau,et la remise en état des sites après exploitation. Il surveille donc régulièrementla température de l’eau, tout comme ses caractéristiques physico-chimiques. Cesétudes ont montré qu’au delà de 4-5 m de profondeur, la température se stabiliseet reste constante et vaut environ 10 °C. Cette température est identique à celle dela nappe phréatique : des échanges ont lieu en permanence entre la nappe et l’eaudes gravières.

La température t en °C et la vitesse de propagation c en m/s d’une onde sonoredans l’eau douce sont reliées par la formule suivante, issue de Kinsler et Frey[1962] :

c = 1403+ 5t− 0.06t2 + 0.0003t3

Cette formule est empirique, et est valable pour une plage de température allantde 0 à 60 °C.

3.2.2.2 La profondeur et la pression

La pression varie linéairement avec la profondeur, elle augmente d’1 bar tousles 10 m de profondeur. D’après Wilson [1960], la vitesse de propagation de l’ondeaugmente de 0.017 m/s lorsque la profondeur augmente d’1 m. Cette variationest donc relativement faible si on la compare à la part de la célérité qui varie enfonction de la température. On peut donc simplifier la formule de Wilson, qui tientcompte de la salinité en plus, de la façon suivante, où interviennent uniquement

Page 44/58


la température t en °C et la profondeur p en m :

c = 1400.35+ 5.02t− 0.055t2 + 0.0003t3 + 0.017p

La formule de Wilson correspond à la formule de Kinsler pour de l’eau douceà une température de 20 °C et une profondeur de 0 m. Si l’on s’éloigne de cettevaleur, on trouve des écarts entre les vitesses de propagation calculées par lesdeux formules qui vont jusqu’à 2 m/s lorsqu’on s’approche de 0 °C. Le tableau3.2 montre la vitesse de propagation calculée selon les deux formules, en surfaceet à une profondeur de 50 m. Les deux auteurs décrivent leurs formules commeétant issues de données expérimentales et donnent une précision métrique sur ladétermination de la vitesse de propagation des ondes. Les applications numériquesmettent bien en évidence cette différence entre les deux méthodes de calcul, et, ànotre échelle de profondeur, la faible importance de la pression par rapport à latempérature sur la célérité des ondes sonores.

Température Kinsler Wilson Wilson

°C 0 m 0 m 50m

2 1412 1410 1411

4 1422 1420 1420

6 1431 1429 1429

8 1439 1437 1438

10 1447 1445 1446

12 1454 1453 1454

14 1462 1461 1462

16 1469 1468 1469

TABLE 3.2: Vitesses de propagation des ondes sonores calculées d’après (Kinsler etFrey, 1962) et (Wilson, 1960)

3.2.2.3 Erreur totale due au milieu

Nous avons vu que c’est principalement la température, et dans une moindremesure la profondeur qui influe sur la vitesse de propagation d’une onde sonoredans l’eau.Pour déterminer cette température, nous nous fions à l’expérience acquise dans cedomaine, et qui montre que les échanges thermiques entre l’eau des gravières etl’eau des nappes souterraines font en sorte que la température reste constante dèsque l’on s’éloigne des couches superficielles. Dans ces couches, néanmoins, il y ades variations de températures. Ces dernières peuvent même être assez fortes, en

Page 45/58


été par exemple, où la température de surface augmente énormément.Notre sondeur ne nous permet pas d’utiliser un profil de célérité réalisé sur touteune colonne d’eau de la gravière, nous devons utiliser une valeur moyenne de lacélérité qui correspond au mieux à la célérité réelle. Il y a donc toujours des er-reurs, qui proviennent d’une part de la détermination de la température, et d’autrepart de la modélisation de la vitesse de propagation des ondes à partir de cettetempérature.On considère que l’on connaît la température moyenne avec une précision de±1 °C, mais cette erreur relève d’une erreur accidentelle, et sera traitée dans lasection suivante. Or cette température moyenne n’est valable qu’à partir d’uneprofondeur supérieure à 10 m, car dans les couches supérieures, la températurepeut être soit plus élevée soit plus faible en fonction de la saison et de la tem-pérature extérieure. La figure 3.2 montre le profil de température typique d’unegravière au début de l’été.

Si on considère une température moyenne de 10 °C, les différences entre laprofondeur réelle et la profondeur mesurée dues à une température différente serépartissent comme sur la figure 3.3, avec un maximum aux alentours de 5 mde profondeur, où la différence est de 6 cm. Il est donc important de prendreplutôt en compte la température qui règne en profondeur, car l’effet de l’erreurdue à une température fausse est proportionnel à la profondeur. Dans ce cas, onminimise la différence de température dans les profondeurs importantes. Pour lesfaibles profondeurs, l’effet d’une différence de température est beaucoup moinsimportant, comme on le voit sur la figure 3.3.

3.3 Les erreurs aléatoiresCe sont des erreurs qui entachent la mesure, et dont on ne connait ni l’ordre

de grandeur ni le sens. Ces erreurs affectent tous les levers topographiques, dansdes ordres de grandeur différents. Là encore, certaines ont plus d’effet sur la pro-fondeur et d’autres sur la position. Nous n’allons ici plus les séparer en fonctionde ces deux critères, car certaines erreurs s’appliquent aux deux, mais passer enrevue les différentes causes d’erreur.

3.3.1 Erreur de calage du transducteur

Afin de mesurer la profondeur de façon verticale, le faisceau du transducteurdoit être dirigé vers le bas. Pour contrôler cette verticalité, le support du trans-ducteur est équipé d’une nivelle torique, de sensibilité 25". Tout au long du lever,le porteur est soumis à des mouvements dus à son déplacement, au courant ouau vent. La répartition des masses peut varier aussi au cours du lever ( niveau de

Page 46/58


FIGURE 3.2: Profil de température typique d’une gravière

carburant, passager, etc.). Il faut donc veiller à avoir toujours un calage correct, etle reprendre si nécessaire. L’impact d’un mauvais calage est moindre sur un fondplat. Certes il y aura une petite erreur, mais uniquement due à l’allongement dutrajet de l’onde. Cette erreur représenterait par exemple un allongement de 3 cmpour une profondeur de 50 m et une erreur de calage de 2°. Or, tant que le défautde verticalité reste inférieur au demi angle d’ouverture du faisceau, soit 4° dansnotre cas, cette erreur est nulle.Par contre, en cas de fond en pente, cette erreur sera amplifiée par le fait que

Page 47/58


FIGURE 3.3: Différences de mesure de profondeur dues à la température

l’onde acoustique se réfléchira sur un sol plus ou moins profond. Il est difficile dequantifier cette erreur, car elle est fortement dépendante du relief du terrain.

3.3.2 Variations locales de célérité

Il se peut que la célérité varie localement, surtout à cause d’écarts de tempé-ratures qui sont possibles et ils peuvent être dus à un brassage local de la massed’eau, lorsque le godet de la drague monte et descend par exemple. Comme nousl’avons dit précédemment, nous considérons que nous connaissons la température

Page 48/58


à ±1 °C. Si l’on se place dans le cas précédent, où l’on choisit une célérité de1447 m/s, correspondant à une température de 10°C, comme moyenne, le tableau3.3 montre l’erreur maximale δp sur la profondeur, qui se calcule d’après la for-mule suivante, inspirée de Landes [2011] et de Herrmann et Neubauer [1978] :δp = tδc, où t représente le temps de parcours de l’onde et δc l’erreur sur lacélérité, qui est dans ce cas de ±4 m/s.

Profondeur (m) ± (cm)

10 2.8

20 5.5

30 2.1

40 11.0

50 13.8

TABLE 3.3: Erreurs dues à l’imprécision sur la température de l’eau

3.3.3 Erreur de détection du fond

Le fond est détecté au moment où l’onde acoustique se réfléchit sur un obs-tacle, que l’on suppose être le fond. Or, ce n’est pas toujours le cas. Il est facilede se rendre compte d’un écho grossièrement faux, comme celui provoqué par unpoisson ou un objet en suspension dans l’eau. Par contre, si le fond est recouvertde vase, ou de plantes aquatiques de faible hauteur, il est très difficile, voire im-possible de faire la différence entre les points situés sur le dessus de ces plantes etles points qui sont réellement sur le fond.La forme caractéristique de ces échogrammes se voit sur la figure 3.4.

3.3.4 Précision intrinsèque du sondeur

Une partie des erreurs aléatoires est aussi due à la précision du sondeur lui-même. D’une part, l’horloge du sondeur n’est pas exempte d’imprécision ; et d’autrepart l’algorithme de détection du fond peut provoquer des erreurs aussi. Le construc-teur indique une précision relative de mesure de 0.2%, c’est-à-dire 10 cm à 50 m.

3.4 Précision finale du leverNous avons vu à présent les diverses erreurs qui peuvent survenir lors d’un

lever de gravière. Afin de se donner une idée de l’erreur totale que l’on fait surla détermination de la profondeur, nous avons comparé nos données avec celles

Page 49/58


FIGURE 3.4: Echos parasites sur le fond, SHOM 1984

issues d’un lever effectué par une autre entreprise, Patzold, Köbke & Partner En-gineers. Ce levé a été réalisé dans la gravière d’Opfingen, qui n’est plus exploitée,mais dont un lever a dû être réalisé en vue de son réaménagement. Nous dispo-sons donc de deux jeux de données totalement indépendants. Nous avons doncsélectionné les points doubles, c’est-à-dire des points qui avaient la même positionà±15 cm près, afin de calculer les écarts entre ces points. Au total, nous disposonsd’un échantillon de 43 points, et nous pouvons calculer l’erreur moyenne quadra-tique d’une profondeur, comme elle est décrite dans Landes [2011].Nous obtenons une erreur moyenne quadratique de 24 cm, pour une profondeurmoyenne de 20 m. L’Organisation Hydrographique Internationale a défini la tolé-rance pour les levers d’ordre spécial dans Organisation Hydrographique Interna-tionale [2011] comme suit :

T =√a2 + (b× d)2

Avec :

– a = 0.25 m : part de l’incertitude qui ne varie pas avec la profondeur– b = 0.0075 : part de l’incertitude qui varie avec la profondeur– d : profondeur

Page 50/58


Pour une profondeur de 20 m, on trouve une tolérance de 29 cm. Notre lever n’estcertes pas de l’ordre spécial, car nous ne faisons pas d’exploration totale du fond,mais cette tolérance reste une valeur à laquelle on peut se référer.La précision du MNT, elle, est plus délicate à quantifier. Nous levons la gravièreselon un quadrillage de 20 m par 20 m, et toutes les lignes de la triangulation sontdes droites. L’angle de talus naturel du gravier est d’environ 1 :2. Dans ce cas, ladifférence maximale entre l’altitude d’un point interpolé sur le MNT au milieu d’uncarré et l’altitude réelle du même point pourrait aller jusqu’à 5 m. C’est pourquoi,lors du calcul de cubatures, nous limitons le calcul à la zone qui a réellement étéexploitée entre les deux levers. En effet, des écarts importants peuvent apparaîtresi l’on ne suit pas exactement les mêmes lignes de lever d’une session à l’autre.

Page 51/58

CONCLUSION

Ce projet nous a permis de clarifier un certain nombre de choses.Tout d’abord, il existe différentes méthodes pour aboutir à un lever bathymétrique,mais toutes ne sont pas adaptées à un lever de gravière. Le Lidar bathymétriquepermet une couverture rapide et très complète de la zone de lever, mais il n’estefficace que jusqu’à une faible profondeur. Les sondeurs montés sur des porteurstélécommandés, donc sans pilotes peuvent être mis en œuvre pour des petits le-vers, ou des levers complémentaires à un lever d’une grande zone. En effet, pource genre d’embarcation il est souvent impossible d’éviter des obstacles fréquem-ment présent dans les gravières, comme des câbles par exemple. Une alternativequi aurait pu apporter un avantage non négligeable est le sondeur multifaisceaux,qui permettrait une couverture totale du fond. Malheureusement, cet équipementreprésente un investissement trop lourd par rapport au volume de chantiers quenous devons traiter. Le sondeur monofaisceau s’avère donc être un instrumentcertes vieillissant, mais qui a fait ses preuves et qui, je pense, a encore de l’avenir.Au niveau de la façon de réaliser les levers, nous avons décidé de généraliser lelever par quadrillage de 20 m par 20 m, qui représente à nos yeux le compromisoptimal entre temps d’exécution et exhaustivité du lever. Le bilan des erreurs nousa montré quels étaient les points importants à ne pas négliger si on ne veut pasperdre de précision. Cela concerne notamment la bonne adéquation de la céléritéde l’onde acoustique moyenne avec la célérité réelle (qui est de 1447 m/s dansl’eau douce à 10°C).Nous avons aussi vu que les données issues du sondeur doivent subir différentescorrections, comme celle du temps de latence, qui dépend du récepteur GPS em-ployé, ou la correction due à la pente pour laquelle nous avons développé unprogramme. Ensuite, pour le travail sur un semis de points de volume important,nous avons comparé différents logiciels, et il s’avère que Caplan est très efficace.Ce logiciel de topographie gère bien les grands nombres de points, et permet decréer aisément des MNT TIN, de calculer des cubatures par différence entre deuxMNT, etc.Nous avons aussi prouvé la validité de notre chaîne de lever et de traitement en

53


comparant notre lever à un lever totalement indépendant effectué par une sociétéextérieure. Nous avons trouvé une emq de 24 cm, qui est inférieur à la tolérancespécifiée par l’Organisation Hydrographique Internationale dans sa publication S-44, qui est de 29 cm.Ce travail nous a ouvert des pistes de réflexion pour l’amélioration future de notresystème de lever, par l’adjonction d’un bathycélérimètre. Il nous permettrait de tra-vailler avec une meilleure précision, et surtout, si l’occasion se présentait, dans deszones où la température de l’eau est moins bien connue que dans les gravières.Ce projet m’a aussi permis de m’intégrer dans une société pendant un peu pluslongtemps qu’un simple stage, et de me familiariser un peu plus avec le manage-ment du temps et du personnel. Il a aussi été très enrichissant au niveau techniqueet scientifique, car il touche à un domaine que je n’avais pas encore eu trop souventl’occasion d’approcher.

Page 54/58

TABLE DES FIGURES

1.1 Principe du sondeur monofaisceau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2 Porteur téléguidé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3 Principe du sondeur multifaisceaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.4 Détection du fond par la phase ou l’amplitude . . . . . . . . . . . . . . 8

1.5 Système Hydrosearch, sondeur multitransducteur . . . . . . . . . . . . 10

1.6 Schéma de fonctionnement d’un LIDAR bathymétrique . . . . . . . . . 11

1.7 Affichage Side Scan Sonar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.1 Système de fixation du sondeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.2 Modèles numériques de terrain différents . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.3 Editeur de positions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.4 Editeur de profondeur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.5 Erreur due à la pente du fond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.6 Plan moyen en cas de rupture de pente abrupte . . . . . . . . . . . . . 32

3.1 Détermination du temps de latence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.2 Profil de température d’une gravière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.3 Différences dues à la température . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.4 Echos parasites au niveau du fond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

55


LISTE DES TABLEAUX

1.1 Gamme de fréquences et portées approximatives, (Lurton, 1998 (mo-difié)). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.2 Normes minimum pour les levers hydrographiques, d’après OHI, 2005(modifié). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1 Comparatif entre différents systèmes de levé multifaisceaux . . . . . . 172.2 Descriptif du message NMEA GGA , Trimble 2004 (modifié) . . . . . . 242.3 Différences de temps de traitement entre les logiciels AutoCad et Caplan 34

3.1 Distance d’avancement du porteur (en cm) en fonction de la profon-deur et de sa vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.2 Vitesses de propagation des ondes sonores calculées d’après (Kinsler etFrey, 1962) et (Wilson, 1960) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.3 Erreurs dues à l’imprécision sur la température de l’eau . . . . . . . . . 49

Page 56/58

BIBLIOGRAPHIE

Berkenkamp Informationstechnik. 2003, RoCAT die ultimative Lösung für fernges-teuerte Vermessung.

Briggs, M. 2006, «Ship squat predictions for ship/tox simulator», Rapport interne,U.S. Army Egineer Research and Development Center, Vicksburg. Coastal andHydraulicsEngineering Technical Note CHETN-I-72.

Bundesanstalt für Straßenwesen. 1979, REB-Verfahrensbeschreibung 22.013 : Mas-sen und Oberflächen aus Prismen. Sammlung der Regelungen für die elektro-nische Bauabrechnung.

De Moustier, C. 1988, «State of the art in swath bathymetry systems», Internationalhydrographic review, vol. 75, no 2, p. 53–68.

Helmig, E. i. A. d. L. 2004, Kiesgewinnung und Wasserwirtschaft, Empfehlungen fürdie Planung und Genehmigung des Abbaues von Kies und Sand, Landesanstalt fürUmweltschutz Baden-Württemberg, ISBN 1436-7882, 105 p..

Herrmann, K. et G. Neubauer. 1978, Vermessungstechnisches Rechnen, Werner Ver-lag, ISBN 3-8041-1944-1.

International Hydrographic Bureau. 2005, Manual on Hydrography Publication M-13, International Hydrographic Organization, Monaco.

Kinsler, L. et A. Frey. 1962, Fundamentals of acoustics, Wiley, New York, ISBN 62-16151, 524 p..

Koomans, R. 2010, «Multi-beam echo sounders», Hydro INTERNATIONAL, vol. 14,no 4, p. 26–29. Comparatif de produits.

Koop, B. 2012, Winprofil Seevermessung und Wracksuche Handbuch, Hydrosupport,Buxtehude, Deutschland.

Landes, T. 2011, «Support de cours de calculs d’erreurs et compensation 1», INSAStrasbourg, Spécialité topographie.

57


LaRocque, P. et G. West. 1999, «Airborne laser hydrography : an introduction»,dans Proc. ROPME/PERSGA/IHB Workshop on Hydrographic Activities in theROPME sea area and Red Sea, Koweit-City.

Ledig, J. 2011, «Cours de gnss pour le positionnement géodésique», INSA Stras-bourg, Spécialité topographie.

Lurton, X. 1998, Acoustique sous-marine : Présentation et applications, Ifremer,ISBN 2905434929.

Organisation Hydrographique Internationale. 2011, «Normes OHI pour les levéshydrographiques Publication S – 44», Rapport interne.

R Development Core Team. 2011, R : A Language and Environment for StatisticalComputing., R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. ISBN 3-900051-07-0. http://www.R-project.org.

Schmidt, J. et M. Möser. 2008, «Gps- und tachymetermessungen zur herstellungeines tiefen – dgm», Schriftenreihe des Instituts für Markscheidewesen und Geodä-sie, , no 1.

Theberge, A. E. 1989, «Sounding pole to sea beam», dans Technical Papers, 1989Acsm-Asprs Annual Convention : Surveying and Cartography, vol. 5, Baltimore, p.334–346.

Tolstoy, I. et C. Clay. 1966, Ocean acoustics : theory and experiment in underwatersound, McGraw-Hill, New York, ISBN 65-28830.

Trimble Navigation Limited. 1998, 4700 Receiver Operation Manual, Trimble Navi-gation Limited, Land Survey Division, Sunnyvale, USA. URL http://www.trimble.com.

Trimble Navigation Limited. 2004, NMEA-0183 Messages Guide for AgGPS Recei-vers, Trimble Navigation Limited, Agriculture Business Area, Overland Park,USA. URL http://www.trimble.com.

Wilson, W. D. 1960, «Speed of sound in sea water as a function of temperature,pressure, and salinity», Journal of the Acoustical Society of America, vol. 32, p.641–644.

Page 58/58

http://www.R-project.org

http://www.trimble.com




Annexes

A

TABLE DES ANNEXES

Table des annexes B

A Quelques notions théoriques CA.1 Vitesse du son dans l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CA.2 Les transducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D

B Code du programme de correction de la pente G

C Volumes demandés par le Landratsamt I

B

A

QUELQUES NOTIONS THÉORIQUES

Afin de bien comprendre le fonctionnement d’un sondeur acoustique, et par lasuite d’établir un bilan des erreurs s’y appliquant, nous allons nous intéresser auxprincipes physiques qui régissent son fonctionnement.Au premier abord, rien de plus simple : une onde mécanique est émise, et le son-deur mesure le temps que cette onde met pour parcourir la distance aller-retourqui le sépare de la cible. Comme la célérité de cette onde est réputée connue, onen déduit la distance. Malheureusement, de nombreux éléments viennent pertur-ber le trajet de l’onde, en premier lieu le milieu dans lequel elle est émise : l’eau.L’Homme a toujours été plus ou moins familier avec ce milieu, tout en le respec-tant autant pour le rôle vital qu’il joue autant que pour les dangers qu’il représente.Il a donc tout naturellement tenté d’en savoir plus à son sujet, avec les moyensque lui permettaient les technologies de son époque. C’est pourquoi, pendant denombreuses années, les connaissances se limitaient à ce que l’on pouvait voir etmesurer depuis la surface, les propriétés des zones plus profondes restant le plussouvent secrètes.

A.1 Vitesse du son dans l’eauLa première expérience historique de la détermination de la vitesse du son

dans l’eau aurait eu lieu en 1826 dans le lac Léman, par le mathématicien fran-çais Charles Sturm et le physicien suisse Daniel Colladon. Le dispositif était assezsimple, comme le montre la figure A.1. D’un côté se trouvait un bateau sous lequelétaient plongés une cloche et un marteau. Un second bateau, situé à une distanceconnue du premier (13847 m en l’occurrence), était muni d’un tuyau plongeantdans l’eau qui fonctionnait comme un stéthoscope. Au moment ou le premier opé-rateur actionnait un levier pour faire retentir la cloche, il enflammait un tas depoudre à canon, provoquant ainsi un éclair très vif et visible depuis le second ba-teau. En répétant cette expérience plusieurs fois, ils sont arrivés à une vitesse du

C


son dans l’eau proche de 1435 m/s, valeur proche de la vitesse du son communé-ment admise aujourd’hui qui est de 1500 m/s en moyenne.

FIGURE A.1: Dispositif de Colladon et Sturm, d’après : Clay et Medwin, 1977

On parle bien ici d’une valeur moyenne, et c’est bien là le problème majeur :la vitesse du son varie beaucoup, de façon très localisée, et ce suivant trois pa-ramètres principaux : température, pression et salinité. Dans notre cas, la sali-nité importe peu, étant donné que nous sommes en environnement d’eau douce.Néanmoins, la composition chimique et la teneur en minéraux peuvent influersur la conductivité de l’eau, et donc aussi sur la vitesse de propagation des ondessonores.

A.2 Les transducteursLe transducteur est la pièce maitresse d’un dispositif acoustique comme un

échosondeur. C’est lui qui transforme l’énergie électrique en énergie mécanique(onde acoustique) et vice versa. D’après et International Hydrographic Bureau[2005] et Kinsler et Frey [1962], il existe trois grandes familles de transducteurs :magnétostrictif, piézoélectriques et électrostrictifs. Ces derniers sont utilisé dansla quasi totalité des applications actuelles.

Les transducteurs magnétostrictifs se composent d’un noyau de fer entouré d’unbobinage de nickel. Une impulsion de courant continu dans le bobinage provoque

D


une contraction du noyau. A la fin de l’impulsion, le noyau retrouve sa forme ini-tiale. Si l’on applique à présent un courant alternatif, le noyau va se contracter etse détendre à la fréquence du courant, et ainsi provoquer une vibration. L’ampli-tude de cette vibration est maximale si la fréquence du courant est identique à lafréquence propre des matériaux du transducteur.

Les transducteurs piézoélectriques sont composés d’un cristal de quartz enserréentre deux plaques de métal. Lors de l’application entre ces deux plaques d’uncourant électrique, le quartz se met à vibrer car le courant électrique provoquedes variations dans l’épaisseur du quartz : c’est l’effet de la piézoélectricité. Cestransducteurs sont réversibles, c’est à dire que lorsque le quartz est comprimésous l’effet d’une onde sonore par exemple, il va créer une différence de potentielentre ses deux faces opposées. Là aussi, l’amplitude de la vibration sera maximalesi la fréquence du signal électrique correspond à la fréquence propre du quartz.

Enfin, les transducteurs électrostrictifs fonctionnent de la même manière que lestransducteurs piézoélectriques. La seule différence réside dans le fait qu’au lieu ducristal de quartz, qui est naturellement polarisé, on utilise des céramiques ou despolymères synthétiques qui nécessitent d’être polarisés en usine. Ils sont presqueexclusivement utilisés de nos jours, car ils sont plus légers et plus efficaces queles autres. De plus des éléments électrostrictifs élémentaires peuvent être com-binés entre eux, afin de construire des transducteurs plus puissants, ou avec descaractéristiques de directivité plus intéressantes.

E

B

CODE DU PROGRAMME DE

CORRECTION DE LA PENTE

Boeschung4<-function(punktdatei="", PUNKTOUT="", WSP=0, k=8, radius=15)

fr<-c("Nr","X","Y","H neu","H alt", "STD Err", "Neigung", "Tiefe")# Lade die Datei und speichert einer N X Y Z matrizmydata<-scan(file= punktdatei , what = list(0,0,0,0,""), dec = ".")mydata<-cbind(mydata[[1]],mydata[[2]],mydata[[3]],mydata[[4]])# Tx<-floor(min(mydata[,2]))# Ty<-floor(min(mydata[,3]))# data<-cbind(mydata[,2]-Tx,mydata[,3]-Ty,mydata[,4])#for (i in 1 :nrow(mydata))data<-cbind(mydata[,2]-mydata[i,2],mydata[,3]-mydata[i,3],mydata[,4])tmp<-cbind(data[i,1],data[i,2],data[i,3])tmp2<-matrix(rep(tmp,nrow(data)),nrow=nrow(data),ncol=3,byrow=TRUE)DD<-rowSums((data-tmp2)2)D<-sqrt(DD)dist<-cbind(data,D)# Jetzt nehmen wir die Punkte wo D<=10 m pplan = X Y Z D

pplan<-dist[dist[,4]<radius,]

if (NROW(pplan)<=4)distri<-dist[order(dist[,4]),]pplan<-distri[1 :15,]}

G


if (sd(pplan[,3]>=2))cl<-kmeans(pplan[,3],2)pplan<-pplan[cl$cluster==cl$cluster[1],]}M<-cbind(pplan[,1],pplan[,2],1)Z<-cbind(pplan[,3])P<-t(M)T<-t(M)res<-solve(P,T,tol = 10e-25)# Ergibt eine 3,1 Matriz A B C : Ax+By-z+C=O# Berechnung der BöschungB<-(pi*0.5)-acos((res[1,1]2+res[2,1]2)/(sqrt(res[1,1]2+res[2,1]2+1) *sqrt(res[1,1]2+res[2,1]2)))#L ist jetzt die richtige Höhe die zu der Lage passtif (B<=(0.5*k)*(pi/180))L<-WSP-(WSP-data[i,3])/cos(B)}else if (B>(0.5*k)*(pi/180)&& B<=(pi/3))

L<-WSP-((WSP-data[i,3])*(cos((k*0.5)*pi/180)+sin((k*0.5)*pi/180)*tan(B)))L<-round(L, digits = 2)p<-B*180/pi# Genauigkeit :zcalc<-(cbind(pplan[,1],pplan[,2],1))v<-zcalc-Zmq<-(t(v)# eine Datei Schreibenif(mq>=0)fr<-cbind(mydata[i,1],mydata[i,2],mydata[i,3],L,mydata[i,4],round(mq, digits =2),round(p, digits= 2),round(WSP-mydata[i,4], digits= 3))

write.table(fr, file = PUNKTOUT, append = TRUE, quote = FALSE, sep = " ",na = "-", row.names = FALSE, col.names = FALSE)}}elsenext}}}

H

C

VOLUMES DEMANDÉS PAR LE

Landratsamt

I


J