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INTRODUCTION – GÉODÉSIE (HYDROGRAPHIE)
Rock Santerre, Ph.D., a.-g., ing.Département des sciences géomatiques
abR
R. Santerre, Département des sciences géomatiques, septembre 2015
- Historique de la géodésie- Techniques géodésiques
- Applications de la géodésie- Hydrographie (géomatique marine)
- Informations complémentaires
R. Santerre, Département des sciences géomatiques, septembre 2015
GÉODÉSIE ? 2
La géodésie est la science qui a pour but de déterminer la forme, la dimension et le champ de pesanteur de notre planète
Terre et leurs variations temporelles.
La Terre est une planètedynamique !
Étymologie - Géo: Terre et Désie: partager, diviser(sélénodésie: géodésie de la Lune, planétodésie, …)
geodesy.agu.org
www.geod.nrcan.gc.ca
MESURER LE MONDE 3
La première mesure du rayon de la Terre fut effectuée par le grec Ératosthène vers 200 ans avant J.-C.
Il utilisa la différence d’angle vertical entre les ombres projetées en deux lieux différents se situant sur un même méridien et dont
la distance entre ces deux lieux avait été mesurée.
La géodésie, tout comme l’astronomie, est considérée comme l’une des plus anciennes sciences de l’humanité.
R. Santerre, Département des sciences géomatiques, septembre 2015
en.wikipedia.org
1ère TRIANGULATION GÉODÉSIQUE 4
En 1533, mesure de la première triangulation géodésique par le Flamand Gemma Frisius (1508-1555). Technique basée sur la
mesure des angles d’une série de triangles inter-reliés.
en.wikipedia.org
nl.wikipedia.org
www.kunstgeografie.nl
www.kunstgeografie.nl
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GÉODÉSIE EN NOUVELLE-FRANCE 5
En 1686, Jean Deshayes (correspondant de l’Académie des Sciences de Paris) mesure la première ligne de base (de la Basse-Ville de
Québec jusqu’à Pointe Lévis) faisant partie de la première triangulation au Canada.
Il détermine également la longitude de Québec, par rapport à Paris, en observant une éclipse de Lune.
Site de la première détermination d’une méridienne au Canada :le moulin Dupont sur la colline du Mont-Carmel (l’actuel Parc du
Cavalier-du-Moulin dans le Vieux-Québec).R. Santerre, Département des sciences géomatiques, septembre 2015
www.ville.quebec.qc.ca
DISTANCEMÈTRES ÉLECTROMAGNÉTIQUES 6
Le Suédois Erik Bergstrand invente le Géodimètre en 1949. Un appareil utilisant les ondes visibles pour mesurer les distances.
AGA Modèle 6
Modèle MRA-2
Et en 1956, le Sud-Africain Trevor L. Wadley invente le Telluromètre (distancemètre à micro-ondes).
De la triangulation à la trilatération
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Sources: Geodimeter, Tellurometer, CRG-GPS, UL
RÉSEAU GÉODÉSIQUE HORIZONTAL
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TRIANGULATION CLASSIQUE
Source: Levés géodésiques du Canada
7
Photographies de la trace des satellites (1957)
DÉBUT DE LA GÉODÉSIE SPATIALE 8
Développement de la caméra Baker-Nunn pour la photographie des traces de satellites sur fond d’étoiles, afin de déterminer leurs orbites dans le but d’établir des liens intercontinentaux entre les
réseaux géodésiques.
www.nasa.gov
www.photolib.noaa.gov
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RÉFÉRENCE DE PRÉCISION 9
Les systèmes de référence géodésiques (horizontaux, verticaux et 3D) sont à la base de tous les travaux géomatiques, là où la
géolocalisation est essentielle.
Levés géodésiques du Canada
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MATÉRIALISER LA SCIENCE 10
Les médaillons (points) géodésiques matérialisent les réseaux géodésiques. Au Québec, on en retrouve 120 000 sur tout le territoire.
Points géodésiques et repères altimétriques
Balises géodésiqueswww.morasse.com et CRG-GPS, UL
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MESURER LA PESANTEUR 11
Les mesures gravimétriques effectuées avec des gravimètres (terrestre, maritime ou aéroporté) servent à déterminer le géoïde (la forme de la Terre) et aussi aux explorations minières et pétrolières.
Stations gravimétriques absolues700 000 points d’anomalie de la gravité.
Levés géodésiques du Canada
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GÉODÉSIE SPATIALE 12
Science millénaire, la géodésie est entrée dans
l’ère spatiale de plain-pied.
Grâce à des coopérations internationales parrainées,
entre autre, par l’Association Internationale de Géodésie, la géodésie est
devenue une science internationale de haute
technologie.
Merci aux grandes agences spatiales qui contribuent à financer et à réaliser ces
grands projets de géodésie.
www.geodesy.tu-darmstadt.de
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ATTRACTION DE LA TERRE 13
En mesurant les perturbations des orbites des satellites autour de la Terre
et à l’aide des mesures directes de gravité et de gradiométrie à bord des
satellites, le champ de la pesanteur de la Terre est révélé en détail.
On peut y percevoir les changements de la distribution des masses sur et à l’intérieur de la Terre (circulation
océanique, fonte des glaces polaires, ...)
portal.survey.ntua.gr
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MESURER OCÉANS ET CROÛTE TERRESTRE 14
D’autres techniques permettent de mesurer directement la topographie de la surface des océans (mesure du changement du
niveau des mers) et des déformations de la croûte terrestre causées par les séismes et l’éruption de volcans.
Altimétrie Radar par satellite ▲InSAR: Interferometric ▲Synthetic Aperture Radar
www.aviso.oceanobs.com
www.futura-sciences.com
www.esa.int
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DES LASER ET DES SATELLITES 15
Des mesures de distance précises effectuées avec des laser sur des satellites artificiels et le satellite naturel de la Terre
permettent de déterminer la dynamique de la Terre et l’orbite de la Lune autour de la Terre.
LLR
: L
UN
AR
LA
SER
RA
NG
ING
SLR
: S
ATELLIT
E L
AS
ER
RA
NG
ING
ilrs.gsfc.nasa.gov
www.nasa.gov
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AUX CONFINS DE L’UNIVERS 16
Les quasars sont des objets astronomiques qui émettent naturellement des ondes radio. Ces ondes observées par des paires
d’antenne sur Terre permettent de déterminer, entre autre, l’orientation précise de la Terre dans l’espace.
VLBI: VERY LONG BASELINE INTERFEROMETRY
www.jpl.nasa.gov
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COMPOSANTES DU SYSTÈME GPS
SATELLITES24 satellites
altitude de 20 000 km inclinaison de 55°
RÉCEPTEURSMesures de distance
(code et phase)Extraction du message
Calcul des positions
RÉSEAU DE POURSUITEPrédiction des orbites
Synchronisation des horlogesInjection des données
Surveillance de l’état des satellites
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17
Sources: GPS World et CRG-GPS, UL
POSITIONNEMENT ABSOLU PAR SATELLITES
Trilatération spatiale (intersection de sphères)
positions des satellites connues
S4P1
S1
S2
S3 S4
11
31
21
41
positions des satellites connues
4 inconnues à résoudre:position (3D) et
synchronisation del’horloge (dT) du récepteur
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18
Sources: GPS World et CRG-GPS, UL
POSITIONNEMENT RELATIF PAR SATELLITES
P1
P2
S1S2 S3
S4
R12
11
12
21
www.gpsworld.com
(dT12)
Le positionnement relatif (différentiel) élimine les erreurs communesentre les 2 récepteurs
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19
PRÉCISION HORIZONTALE DE DIFFÉRENTSMODES DE POSITIONNEMENT GPS
Adaptée de Parkinson et al. & Bossler et al.
(m)
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20
N.B.: La composante verticale GPS est environ 2 fois moins précise.
TON TOS
TACE
RIN1
670 m1040 m
70 m
110 m
TACE
TOSAnémomètreTON
TOS
TACE
AUSCULTATION TOPOGRAPHIQUE GPS:PONT PIERRE-LAPORTE (1/3)
Santerre et Lamoureux, UL
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21
DÉPLACEMENT VERTICAL CAUSÉ PAR UN EMBOUTEILLAGE (station TACE) (2/3)
0.5
0.25
0
-0.25
-0.5
13:15 13:30 13:45 14:00 14:15
3:00 3:15 3:30 3:45 4:00 4:15 4:30
Heure avancée de l’Est
Temps écoulé (heures)
Dép
lace
men
t ve
rtic
al (
m)
40 cm
30 min.
Santerre et Lamoureux, UL
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22
déplacements en cmvariation de la température moyenne: -25oC
variation de la vitesse transversale du vent: 21 km/h
TACE
TON
TOS
Est
Ouest
DÉFORMATION DU PONT PIERRE-LAPORTE (ENTRE L’ÉTÉ ET L’HIVER) (3/3)
45.5
4.5
4.1
3.6
4.3
4.0
Santerre et Lamoureux, UL
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LA TERRE N’EST PAS RONDE !
Aux pôles, on se trouve plus près, d’environ 20 km, du centre de la Terre qu’à l’équateur. Le rayon équatorial est de 6378 km et le rayon
polaire est de 6357 km.
La pesanteur (effet combiné de l’accélération gravitationnelle et de l’accélération centrifuge) est plus grande aux pôles (9.83 m/s2) qu’à
l’équateur (9.78 m/s2).
La forme réelle de la Terre est le géoïde, une surface correspondant approximativement au Niveau Moyen des Mers, et sur laquelle le
potentiel gravifique (et non la force de la pesanteur) est constant.
www.sciencedaily.comwww.jpl.nasa.gov
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LA TERRE COMME UNE TOUPIE 25
L’axe de rotation de la Terre effectue des mouvements dans l’espace (par rapport aux étoiles) : la précession et la nutation.
PrécessionPér.: 25 765 ansAmplitude: 47º
NutationPér.: 18.6 ansAmplitude: 18.4"
astronomy.starrynight.com
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ELLE TOURNE MAIS PAS UNIFORMÉMENT 26
De plus, le lieu de l’intersection de son axe de rotation avec la croûte terrestre change, ce phénomène
se nomme le mouvement du pôle.
La vitesse de rotation de la Terre ralentit et n’est pas uniforme, ce qui provoque un accroissement de la durée du jour d’environ
2 msec par siècle.
La période prédominante du mouvement du pôle est de 435 jourset il décrit un cercle d’environ 7 m derayon à la surface du sol aux pôles.
Pôle sud commons.wikimedia.org
Période : 435 j
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DES MARÉES OCÉANIQUES ET TERRESTRES 27
Tout comme la surface des océans, la croûte terrestre se déformeau rythme des marées (terrestres) avec une amplitude pouvant
atteindre 30 cm et ce, 2 fois par jour, comme illustré ci-dessous :
Le phénomène des marées est causé par la différence d’attraction gravitationnelle exercée
par la Lune et le Soleil sur la surface des océans et sur la croûte terrestre qui n’est pas
un solide parfaitement rigide.tidaldynamics.weebly.com et CRG-GPS, UL
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LE REBOND ARCTIQUE… 28
Au nord du Canada et en Scandinavie, la croûte terrestre rebondit, après s’être affaissée pendant la dernière glaciation et
ce, à un rythme actuel de 2 à 3 cm par an dans la région de la Baie-James.
La dernière glaciation remonte à environ 12 000 ans. Ce phénomène s’appelle le rebond post-glaciaire.
Levés géodésiques Canada et www.nature.nps.gov
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À LA DÉRIVE ! 29
Les plaques tectoniques de l’Amérique du Nord et de l’Europe s’éloignent d’environ 3 cm par année; une vitesse comparable à la
croissance de nos ongles !
La théorie de la tectonique des plaques a été élaborée en 1967. Les mouvements des plaques tectoniques sont mesurés
précisément avec les techniques géodésiques modernes telles que VLBI, laser satellite et GPS.
commons.wikimedia.org www.nationalatlas.gov
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LA TERRE VIBRE ET TREMBLE 30
Les activités sismiques terrestres peuvent causer des catastrophes,par exemple, le tremblement de terre qui a provoqué le tsunami de
Fukushima au Japon, en mars 2011.
Les déplacements de la croûte terrestre, lors de ce séisme, ont été mesurés par le réseau de stations GPS permanentes japonaises :
▲ Déplacement de la station permanente GPS MIZU au Japon
www.unavco.org
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ET LA LUNE S’ÉLOIGNE … 31
La Lune s’éloigne de la Terre à un rythme de 3 à 5 cm par année.La distance Terre-Lune qui est d’environ 380 000 km est mesurée à
une précision de quelques millimètres à l’aide de faisceaux laser réfléchis par des panneaux de rétroréflecteurs.
Le premier de ces panneaux a été déposé par les astronautes de la mission Apollo 11 en 1969.
www.nasa.org
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MESURER LES CHANGEMENTS GLOBAUX 32
GGOS :Global Geodetic Observing System
La contribution de la géodésie à l‘observation de la Terre pour
évaluer les risques géologiqueset la réduction des catastrophes naturelles et pour supporter la recherche sur les changements
globaux.
R. Santerre, Département des sciences géomatiques, septembre 2015
Cartographie marine
Navigation et positionnement
LEVÉS HYDROGRAPHIQUES
Bathymétrie
33
www.shc-chs.gc.ca
www.gpsworld.com
www.shc-chs.gc.ca
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Seulement 3% de l’eau sur Terre est douce.Le Canada possède 7% de ces réserves d’eau douce.
Le Québec compte près de 500 000 lacs, on ne connaît la bathymétrie que de seulement 3 400 de ceux-ci !
IMPORTANCE DE L’HYDROGRAPHIE(GÉOMATIQUE MARINE)
70% de la surface de la Terre est recouverte d'eau.Seulement 10% des fonds marins ont fait l'objet de levés
hydrographiques précis.
80% du commerce international s’effectue par voie maritime.
34
www.wikipedia.org
R. Santerre, Département des sciences géomatiques, septembre 2015
Aide à la navigation maritimeet cartographie des infrastructures portuaires
UTILISATION DE L’HYDROGRAPHIE (1/5) 35
www.shc-chs.gc.ca
www.sea-technology.com
R. Santerre, Département des sciences géomatiques, septembre 2015
Travaux de génie civil
UTILISATION DE L’HYDROGRAPHIE (2/5) 36
www.groupocean.com www.airving.com
www.nexans.com www.heavyliftnews.com
R. Santerre, Département des sciences géomatiques, septembre 2015
ZEE
UTILISATION DE L’HYDROGRAPHIE (3/5)
Droit maritime international
37
www.dfo-mpo.gc.ca
R. Santerre, Département des sciences géomatiques, septembre 2015
en.wikipedia.com
Détection des tsunamis
UTILISATION DE L’HYDROGRAPHIE (4/5) 38
www.dlr.de
nautilus.org.pl
www.pmel.noaa.gov
R. Santerre, Département des sciences géomatiques, septembre 2015
La montée du NMM provoquera l’érosion des côtes et l’engloutissement de la partie basse de celles-ci et la
salinisation des nappes phréatiques. Source: UNESCO (2010).
10% de la population mondiale vit dans les terres qui ne sont pas plus que 10 m au-dessus du NMM actuel. Source: UNESCO, Sea-level rise and variability (2010).
39
www.eoearth.orgen.wikipedia.org
Depuis 1993, le taux de variation du Niveau Moyen des Mers (NMM) est de plus de 3 mm/an; un taux plus grand que pendant tout le XXe
siècle. Le NMM change de 0.5 m/1ºC du réchauffement planétaire.
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UTILISATION DE L’HYDROGRAPHIE (5/5)
LIENS INTERNET EN HYDROGRAPHIE
www.fig.net (commission 4)www.iho.int
www.imo.org
www.hydrography.ca
www.cehq.gouv.qc.ca
UNCLOS : United Nations Convention on the Law Of the Sea Convention des Nations Unies sur le Droit de la Mer
www.chs-shc.gc.ca www.cidco.ca
www.gloss-sealevel.org - Global Sea Level Observing System
40
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INTERNATIONAL UNION OFGEODESY AND GEOPHYSICS (IUGG)
www.iugg.org
International Association of Cryospheric Sciences (IACS)
International Association of Geodesy (IAG)
International Association of Geomagnetism and Aeronomy (IAGA)
International Association of Hydrological Sciences (IAHS)
International Association of Meteorology and Atmospheric Sciences (IAMAS)
International Association for the Physical Sciences of the Ocean (IAPSO)
International Ass. of Seismology and Physics of the Earth's Interior (IASPEI)
International Ass. of Volcanology and Chemistry of the Earth's Interior (IAVCEI)
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41
ASSOCIATION INTERNATIONALE DE GÉODÉSIE
- 150e anniversaire en 2012- Commissions et Groupes d’études- Assemblées scientifiques (résolutions)- Délégués nationaux- Services internationaux (IGS)- Journal of Geodesy- GGOS (Global Geodetic Observing System)
www.ggos.org
www.iag-aig.org
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42
LEVÉS GÉODÉSIQUES DU CANADA
www.geod.nrcan.gc.ca
- Introduction à la géodésie- Historique de la géodésie au Canada- Applications (en ligne)- Services en ligne (PPP)- Utilitaires géodésiques- Guides et publications
R. Santerre, Département des sciences géomatiques, septembre 2015
43
DIRECTION DE LA GÉODÉSIE
- GEODEQ- Vue d’ensemble (réseaux géodésiques)
- Utilitaires géodésiques- Directives et publications
www.mern.gouv.qc.ca/territoire/
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44
JOURNAUX ET REVUES SCIENTIFIQUES
- Journal of Geodesy(Bulletin Géodésique)
- Journal of Applied Geodesy- Journal of Geophysical Research
/Solid Earth - Marine Geodesy- Geomatica- Journal of Surveying Engineering- Survey Review- GPS Solutions- GPS World- Inside GNSS- Navipedia (www)
Disponibles sur www.bibl.ulaval.ca
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45
COURS GÉODÉSIE – U. LAVAL
Topométrie
Réf. spatiale
Conception
Planification
AcquisitionProjection carto.
Phys. géomatique
Algo. & Progr.
Compensations
GÉODÉSIE
GPS (GNSS)
TP GPS
Hydrographie
Cours grad. géod.
Cours grad. GPS
Appl. GPS
Diffusion
Contrôle-qualité
Fusion
Traitement
Modélisation
Visualisation
Analyse
Mise-à-jour
a
bR
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46
SITE INTERNET GÉODÉSIE-GPS - U. LAVAL
- Liens www- Express Géomatique- Historiques et Exposition virtuelle- Galerie de photos- Publications- Lab GPS-Géodésie- Équipements- Réseaux et piliers géodésiques UL
gps-rs.scg.ulaval.ca
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47
GÉODÉSIE ET GPS - U. LAVAL
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CRG-GPS, UL
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