Mémoire de soutenance du diplôme d’ingénieur INSA,

Spécialité TOPOGRAPHIE

APPORT D’UNE SOLUTION VISUELLE 3D DE LA MONTEE DES EAUX EN

PERIODE DE CRUE AU SEIN DE L’ENTREPRISE TECHNIDRONE

Présenté le 20 septembre 2017 par Claire BEVENGUT-CHATONEY

Structure d’accueil : TECHNIDRONE, Z.A La Motte, 07210 BAIX

Directeur de PFE : Michaël PASTOR, directeur marketing du pôle Mines & Carrière

Correcteur de PFE : Gilbert FERHAT, maître de conférences, INSA Strasbourg, Institut Physique

du Globe de Strasbourg

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AAAVVVAAANNNTTT---PPPRRROOOPPPOOOSSS Ce projet de fin d’études m’a permis de découvrir les drones, leur fonctionnement et leurs potentiels. Ce sont de puissants outils qui effectuent en un temps record des tâches variées et offrent une bien meilleure productivité par rapport aux méthodes classiques utilisées par un topographe. Cette différence est d'autant plus importante que l'innovation est continue et ne pourra qu'améliorer ce type de technologie. Le terme "drone" est souvent associé à un objet volant ou TECHNIDRONE possède un drone bateau bathymétrique qui, couplé à une antenne GNSS, permet de réaliser des relevés de fond de lac géoréférencés. J’ai aussi effleuré le monde des crues et de la prévention des risques. J’ai découvert l’existence de modèles permettant de prévoir et d'anticiper des crues… Ces outils sont puissants et doivent être maniés avec précaution. En effet, les mesures préventives seront prises en fonction des prédictions de l'hydrologue. Les responsabilités engagées sont donc importantes. Le recours à des spécialistes en la matière est par conséquent primordial, et par ce travail, je n'ai pas la prétention de remplacer leur travail, mais plutôt de les accompagner dans leur mission en mettant à profit mes connaissances topographiques. Pendant 6 mois, je me suis plongée dans un unique sujet avec, je l’espère, une conclusion propre et qui convienne aux différents interlocuteurs.

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RRREEEMMMEEERRRCCCIIIEEEMMMEEENNNTTTSSS

Je tiens à remercier MM. Pierre-Emmanuel LECLERE et Michaël PASTOR pour m’avoir permis de réaliser mon PFE au sein de leur entreprise.

Je tiens aussi à remercier mon tuteur de stage, M. Moustapha CISSE qui, par une réflexion

commune, a fait avancer mon sujet.

Pour des compléments de réflexion et d’intenses discussions, j’exprime ma gratitude envers le reste de l’équipe traitement : Valentine MAISONNEUVE, Guillaume BORD et Vincent DUBREUIL.

Pour leur disponibilité et leur sympathie, je remercie MM. Guillaume CECCALDI commercial de

son état, Thierry CORDONNIER télépilote chevronné et Thierry NALET qui « n’allait » bien.

Une mention spéciale pour Audrey GRANGEON et Michael VINCENT pour nos instructives petites balades digestives !

Je remercie également les enseignants de la spécialité topographie de l’INSA de Strasbourg pour

leurs transmissions de connaissances, et les encourage à continuer.

Pour finir, je tiens à remercier les nombreux relecteurs de ce mémoire sans qui il n’aurait pas été le même, et vous souhaite une bonne lecture !

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SSSOOOMMMMMMAAAIIIRRREEE INTRODUCTION GENERALE

1. TECHNIDRONE ................................................................................................................................................. 6

1.1. CHRONOLOGIE ........................................................................................................................................................... 7 1.2. FONCTIONNEMENT DE L’ENTREPRISE TECHNIDRONE......................................................................................... 7

2. LES OBJECTIFS DU PROJET DE FIN D’ETUDE ..................................................................................... 8

CHAPITRE I : ETAT DE L'ART 1. INTRODUCTION ............................................................................................................................................. 11

2. GENERALITES SUR LES CRUES ............................................................................................................... 11

2.1. LES INONDATIONS ...................................................................................................................................................11 2.1.1. HISTOIRE DES INONDATIONS ..............................................................................................................................11 2.1.2. LE PLAN DE PREVENTION DES RISQUES D’INONDATION (PPRI) ......................................................................12 2.1.3. MODELISATION MATHEMATIQUE D’UN COURS D’EAU ......................................................................................13 2.2. LES CRUES EN ARDECHE .........................................................................................................................................17 2.2.1. LES CRUES DU RHONE ........................................................................................................................................17 2.2.2. LES CRUES SUR LES PETITS AFFLUENTS .............................................................................................................18

3. GENERALITES SUR LA PHOTOGRAMMETRIE AERIENNE ........................................................... 19

3.1. LES BASES DE LA PHOTOGRAMMETRIE AERIENNE..................................................................................................19 3.2. LA PHOTOGRAMMETRIE AERIENNE PAR DRONE .....................................................................................................19 3.2.1. LES DRONES .........................................................................................................................................................19 3.2.2. LES LOGICIELS DE TRAITEMENT DES DONNEES .................................................................................................21

4. LES MODELES HYDRAULIQUES .............................................................................................................. 22

4.1. LE PRINCIPE .............................................................................................................................................................22 4.1.1. LES LOGICIELS EXISTANTS .................................................................................................................................22 4.1.2. LES TYPES DE MODELES PROPOSES .....................................................................................................................24 4.2. LE CHOIX POUR L’ETUDE .........................................................................................................................................25

5. LES MODELES 3D, VISUALISATION D’INONDATION ...................................................................... 25

5.1. LES SOLUTIONS EXISTANTES ...................................................................................................................................25 5.1.1. LES ETUDES DEJA EFFECTUEES...........................................................................................................................26 5.1.2. LES LOGICIELS UTILISES .....................................................................................................................................26 5.2. LE CHOIX DE LA SOLUTION POUR L’ETUDE.............................................................................................................27

CHAPITRE II : MAQUETTE & MODELISATION HYDRAULIQUE 1. CHOIX DU SITE DE L’ETUDE..................................................................................................................... 29

1.1. LE LAVEZON, TOUTE UNE HISTOIRE .......................................................................................................................29 1.1.1. LA COMMUNE DE MEYSSE..................................................................................................................................29 1.1.2. LE LAVEZON .......................................................................................................................................................29 1.2. UNE ETUDE EXISTANTE ...........................................................................................................................................31

2. MISE EN PLACE ET CHOIX DE LA METHODE .................................................................................... 33

2.1. ACQUISITION DES DONNEES ....................................................................................................................................33 2.1.1. PREPARATION DE LA MISSION ............................................................................................................................33 2.1.2. RELEVE DE LA MISSION ......................................................................................................................................36 2.2. CREATION DE LA MAQUETTE 3D.............................................................................................................................37 2.2.1. TRAITEMENT PHOTOGRAMMETRIQUE ................................................................................................................37 2.2.2. CREATION DE LA MAQUETTE ..............................................................................................................................39 2.3. MODELISATION D’UNE INONDATION SUR LE LAVEZON AVEC HEC-RAS ............................................................49 2.3.1. CREATION D’UNE MODELISATION HYDRAULIQUE .............................................................................................49 2.3.2. INTEGRATION SUR LA MAQUETTE ......................................................................................................................54

3. RECAPITULATIF DE LA METHODE EMPLOYEE ............................................................................... 58

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3.1. CHOIX DEFINITIF DE LA METHODE ..........................................................................................................................58 3.1.1. ACQUISITION .......................................................................................................................................................58 3.1.2. TRAITEMENT .......................................................................................................................................................58 3.2. SOLUTION VISUELLE PROPOSEE ..............................................................................................................................60 3.2.1. RENDUS ETUDIES ................................................................................................................................................61

CHAPITRE III : DISCUSSION DES RESULTATS OBTENUS 1. EVALUATION GLOBALE DE LA METHODOLOGIE .......................................................................... 63

1.1. UTILITE & USABILITE DU RESULTAT OBTENU ........................................................................................................63 1.2. ASPECT ECONOMIQUE .............................................................................................................................................63 1.2.1. TEMPS PASSE A LA REALISATION .......................................................................................................................64 1.2.2. PRODUCTIVITE DE LA METHODE EMPLOYEE ......................................................................................................65 1.2.3. COUT DE LA PRODUCTION D’UNE ETUDE EQUIVALENTE ...................................................................................66 1.3. PROTOCOLE REUTILISABLE SUR D’AUTRES CAS ? ..................................................................................................66

2. QUALITE DE LA MAQUETTE ET DE LA MODELISATION HYDRAULIQUE ............................. 67

2.1. MAQUETTE TRIDIMENSIONNELLE ...........................................................................................................................67 2.1.1. PRECISION DU NUAGE DE POINT .........................................................................................................................67 2.1.2. PRECISION DES BATIMENTS ................................................................................................................................67 2.2. MODELE HYDRAULIQUE ..........................................................................................................................................68 2.2.1. PRECISION DU MNS RASTER ..............................................................................................................................69 2.2.1. PRECISION DES PARAMETRES EN ENTREE ..........................................................................................................69 2.3. CONCLUSION............................................................................................................................................................69

CONCLUSION GENERALE 1. CONCLUSION .................................................................................................................................................. 71

2. PERSPECTIVES ............................................................................................................................................... 72

ILLUSTRATIONS 1. TABLE DES FIGURES .................................................................................................................................... 73

2. TABLE DES TABLEAUX ............................................................................................................................... 74

3. TABLE DES EQUATIONS ............................................................................................................................. 74

SOMMAIRE DES ANNEXES

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......... IIINNNTTTRRROOODDDUUUCCCTTTIIIOOONNN GGGEEENNNEEERRRAAALLLEEE

Joan MIRO, Constellation awakening at dawn, (1893-1983)

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1. TECHNIDRONE

1.1. CHRONOLOGIE L’entreprise TECHNIDRONE a vu le jour en 2013 sous la direction de Monsieur Pierre-Emmanuel LECLERC. Les drones civils sont apparus sur le marché et de nombreuses personnes ont souhaité être formées afin d’utiliser le drone à des fins commerciales. Pour répondre à cette demande, TECHNIDRONE a mis en place différentes formations et a rapidement occupé la place de leader français de la formation pour drone. Deux ans après sa création et avec l’arrivée de Michael PASTOR comme associé, l’entreprise s’est orientée vers la prestation en effectuant des relevés photogrammétriques. Les principaux clients de ce type de levés sont les carrières. Et à raison, car ces clients ont besoin de savoir l’état de leurs stocks à une date donnée, ce qu’un géomètre utilisant des méthodes traditionnelles aura du mal à faire en fonction de l’étendue de la zone. Utiliser des avions pour effectuer des relevés photogrammétriques sur une carrière n’est pas rentable car l’étendue est trop petite comparée au déplacement de l’appareil occasionné. D'autre part, la précision volumétrique attendue sur le calcul des stocks est de l'ordre de plus ou moins 10% du volume du stock. Le drone est donc une solution rapide et efficace pour effectuer ce type de levés. L’entreprise a développé plusieurs bureaux secondaires afin d’être présente dans toute la France. Les traitements des prestations sont centralisées et réalisées au siège de l’entreprise à Baix, en Ardèche. En 2017, TECHNIDRONE a été absorbé par l’un de ses principaux concurrents, DELTADRONE. Cette entreprise propose différents services en plus du relevé photogrammétrique, à savoir des relevés LIDAR, des compétences en gestion de l’eau avec le sous-groupe HydroGeoSphere et bien d’autres. Leur objectif est d’obtenir une place sur le marché mondial de la prestation par drone. Pour TECHNIDRONE, c’est une opportunité permettant de faire partie d’un grand groupe et d’élargir son domaine de compétences tout en faisant partager ses propres expériences.

1.2. FONCTIONNEMENT DE L’ENTREPRISE TECHNIDRONE Des commerciaux sillonnent la France à la recherche de clients et définissent avec eux leurs besoins. Puis, le relevé des carrières est effectué par des télépilotes internes à l’entreprise. Ces télépilotes sont formés à la topographie de manière à pouvoir manipuler les GNSS différentiels et ainsi pouvoir relever seuls les points de calages utiles pour le géoréférencement et la précision des projets. Les données photogrammétriques et les points de contrôle sont ensuite envoyés à l’équipe traitement qui répond au cahier des charges défini par le client. En général un plan des stocks, un plan topographique, une orthophotographie et parfois un modèle 3D sont demandés. En termes de matériel, l’entreprise utilise pour la prestation principalement deux types de drones à savoir des ailes volantes Ebee SenseFly et des multicoptères Phantom 3 pro et Inspire (et désormais les DeltaX, DeltaY développés en interne par l'entreprise DELTADRONE). Ces drones légers sont classés dans la catégorie des moins de 2 kilogrammes. L’entreprise doit respecter les différents scénarios de vol définis par la législation française lors de ses prestations. Des cibles, des plaques de bois peintes en noir et blanc sont placées sur l’ensemble du terrain à relever afin d’optimiser la précision altimétrique et planimétrique du projet. La société s'est également dotée de nouvelles générations de cibles proposées par l'entreprise PROPELLER. Celles-ci ont des puces GNSS intégrées qui leurs permettent d'auto-géoréférencer le levé par drone. Ces cibles sont fixées durant le relevé mais enlevées à la fin de celui-ci. Le traitement des données photogrammétriques se réalise grâce au logiciel PIX4D. Pour la création des plans, l'entreprise avait besoin d’un logiciel de DAO qui lui permette d’effectuer aussi des rendus 3D. Le logiciel MENSURA GENIUS correspondait à ses critères et a été retenu. Ce sont les

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seuls logiciels commerciaux qu'elle utilise. CloudCompare et QGIS viennent compléter la liste des logiciels utilisés par TECHNIDRONE.

2. LES OBJECTIFS DU PROJET DE FIN D’ETUDE Aujourd’hui, TECHNIDRONE a prouvé se compétences dans son domaine initial et commence à s’intéresser aux autres possibilités offertes par les drones. La gestion de l’eau est une des thématiques qui intéresse au plus haut niveau les élus. Le changement climatique entraîne l’augmentation de la fréquence des phénomènes météorologiques à évolution rapide comme les inondations. De plus en plus de catastrophes naturelles sont enregistrées ce qui engendre des besoins nouveaux en terme d'outils capables de gérer et de prévoir les événements à venir. Pour répondre à cette demande, l’entreprise TECHNIDRONE a souhaité étudier les possibilités et perspectives relatives à ce sujet. C'est dans le cadre de ce raisonnement que le sujet de ce mémoire a été soumis. L’objectif était de fournir aux élus un moyen efficace et simple d’appréhender l’information. Les drones sont aujourd’hui largement utilisés pour la modélisation et la visualisation de divers objets et phénomènes en trois dimensions. Cependant, leur potentiel n’a pas encore été testé pour l’étude des phénomènes d’inondations. Ce sujet va ainsi s’intéresser aux possibilités offertes par les drones pour la modélisation et la visualisation 3D de crues. Les résultats et les conclusions qui seront tirés de mon travail, permettront à l’entreprise d’apprécier les opportunités qui s’ouvrent à elle sur ce marché, et éventuellement de diversifier son offre de services vers ce secteur d’activité. Un état de l’art permettra de resituer le contexte et d’observer les études déjà effectuées sur le sujet. Il s'intéressera à la partie hydraulique du sujet, mais également aux problématiques liées à la représentation tridimensionnelle d'une zone urbanisée. Un second chapitre détaillera les travaux relatifs à la création d’une maquette servant de support à l’intégration d’une modélisation hydraulique. La modélisation hydraulique permettant la représentation la plus plausible d’une inondation occupera une place importante dans le développement de la méthode. Le dernier chapitre aura pour objectif l’analyse et l’évaluation de la méthode mise en place.

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CCCHHHAAAPPPIIITTTRRREEE III

EEETTTAAATTT DDDEEE LLL’’’AAARRRTTT

Gérard DUBOIS, Le livre muet, 2003

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1. INTRODUCTION Le réchauffement climatique entraîne la modification des saisons et du climat sur notre territoire. Ces changements climatiques sont observés par une augmentation de la fréquence et de la violence des épisodes saisonniers. D’après le rapport de Redaud et al. (2002), l’augmentation des pluies durant l’hiver ainsi que l’anthropisation élèvent le risque d’inondation sur le territoire. L’évolution des événements saisonniers a permis de constater la hausse significative des précipitations dans différents départements français Moisselin et al. (2002). Malgré certaines hausses non significatives, nous remarquons à l’aide de la figure 1 que les précipitations sont généralement à la hausse sur le territoire français. Plusieurs méthodes logicielles et techniques existent aujourd’hui pour simuler le plus justement possible une inondation, due à une crue, et prévenir les risques inhérents. Pour réaliser ces simulations, il est nécessaire d'accéder à des MNT1 ou des MNS2 des zones étudiées. C’est dans cet objectif que l’utilisation du drone, associé à la photogrammétrie, a un rôle à jouer dans la modélisation du terrain potentiellement inondable. Le fonctionnement d’une inondation est complexe et mérite une part d’attention permettant d’analyser les enjeux liés à son évolution. Ensuite nous nous pencherons plus précisément sur ce qu’est un modèle hydraulique et sur la manière de représenter son résultat en trois dimensions à l’aide d’une modélisation tridimensionnelle.

2. GENERALITES SUR LES CRUES

2.1. LES INONDATIONS

2.1.1. HISTOIRE DES INONDATIONS

Il existe différentes typologies de crues retenues par les spécialistes en France depuis 1992 (Prim.net@2017, 08-03-2017)3 :

- Les inondations de plaine et les inondations par remontée de nappe, qui sont des crues lentes en région de plaine. Les zones inondées peuvent l’être pendant plusieurs jours.

- Les crues des rivières torrentielles et des torrents qui sont quant à elles formées rapidement

et sont causées par des averses violentes que le sol n’a pas le temps d’assimiler. Ces crues peuvent être mortelles à cause des vagues causées par la cession d’embâcles4.

- Les crues rapides des bassins périurbains qui sont dues au ruissellement de l’eau de pluie en ville à cause de l’imperméabilisation des sols. Il arrive que les réceptacles prévus pour

1 Modèle Numérique de Terrain 2 Modèle Numérique de Surface 3 http://www.risquesmajeurs.fr/le-risque-inondation 4 Obstacles naturels créés par des troncs, des sédiments qui bloquent le cours de la rivière. Lorsqu’ils cèdent, une vague se crée et peut causer des dégâts.

Figure 1: Pointage du coefficient de Spearman pour le cumul annuel de précipitation (1901/2000) Moisselin et

al. (2002)

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réceptionner ces eaux soient saturés ce qui entraîne le refoulement rapide de l’eau dans les rues.

En France, le risque est présent sur une grande partie du territoire. D’après Prim.net, les inondations les plus graves auraient causé environ 380 morts en 92 ans de 1910 à 2002. 13 000 communes sont concernées par les inondations, et les dégâts coûtent à chaque fois des millions d’euros aux assurances et aux contribuables. La pression urbaine excessive entraîne la construction d’habitations à proximité des zones inondables en négligeant leur dangerosité. Heureusement, la généralisation des Plans de Prévention des Risques d’Inondation (PPRI, voire 2.1.2) dans les communes concernées atténue le risque d’implanter de nouvelles infrastructures dans des zones à risques DDT de la Drôme (2012). Les crues ont des périodes de retour de 10, 30, 100 et 1000 ans auxquelles sont assignées une probabilité de retour sur une période de temps de 10, 30 ou 100 ans. La crue de référence qui sert à l’établissement du zonage est en général « La plus forte crue connue et, dans le cas où celle-ci serait plus faible qu’une crue de fréquence centennale, cette dernière » (Prim.net@2017, 08-03-2017). En effet, les fréquences des crues sont interpolées en fonction de données connues. Parfois, la prévision est au-dessus de la réalité et aucune crue n’a dépassé les prévisions envisagées. Dans tous les PPRI disponibles, nous retrouvons un tableau représentant la probabilité de retour des crues. Le tableau 1 reprend ces probabilités. Comme le détaille ce tableau les crues décennales sont relativement fréquentes et se produisent au moins une fois sur 10 ans, le risque est donc présent et doit être pris en considération.

Crue Risque de voir la crue caractéristique dépassée/atteinte au moins une fois

Type Fréquence Sur 1 an Sur 30 ans Sur 100 ans

Décennale Fréquente 10 % 1 chance sur 10

96 % Sûrement 1 fois

99.99 % Certainement 1 fois

Trentennale Occasionnelle 3.3 % 1 chance sur 30

64 % 2 chance sur 3

97 % Sûrement 1 fois

Centennale Rare 1 % 1 chance sur 100

26 % 1 chance sur 4

63 % 2 chances sur 3

Milléniale Exceptionnelle 0.1 % 1 chance sur 1000

3 % 1 chance sur 33

10 % 1 chance sur 10

Tableau 1: Probabilité des périodes de crues

2.1.2. LE PLAN DE PREVENTION DES RISQUES D’INONDATION (PPRI)

Principaux enjeux

Le PPRI est un ensemble de documents qui délimite les zones exposées selon l’intensité du risque recensé et définit la manière dont elles doivent être aménagées. Grâce à ses principales fonctions, le PPRI permet de maîtriser l’extension urbaine en contrôlant l’implantation des nouveaux bâtiments dans les zones à risques en « conciliant impératifs de prévention et besoins de développement » SAFEGE Ingénieurs conseils (2013). Il sécurise et diminue la vulnérabilité des zones habitées. Un dossier de PPRI est composé d’un rapport de présentation, d’un règlement, ainsi que d’un plan de zonage qui facilite la visualisation des zones inondables.

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La procédure Pour mettre en place un PPRI sur une commune, il faut suivre une démarche bien précise détaillée en 5 étapes ci-après (SAFEGE Ingénieurs conseils 2013; DDT de la Drôme 2012).

- Prescription : Définition du périmètre, désignation du service instructeur et organisation d’une réunion publique et d’une exposition.

- Etude : Etudes techniques, concertations avec les élus et la population. - Consultation : Avis du conseil municipal, de la communauté de communes, du

syndicat des rivières… - Enquête publique : Arrêté préfectoral, enquête publique (1 mois minimum), rapport

du commissaire enquêteur (1 mois maximum) et modifications éventuelles. - Approbation : Arrêté préfectoral et affichage en mairie. - Effets : Le PPRI approuvé vaut servitude d’utilité publique.

Lors de cette procédure, il faut détailler les risques encourus en fonction des caractéristiques du cours d’eau considéré. Pour cela, la définition de l’aléa inondation est primordiale. Caractérisation de l’aléa inondation

L’aléa5 inondation est utilisé pour la caractérisation des cours d’eau en prenant en compte les caractéristiques physiques telles que la hauteur d’eau et la vitesse d’écoulement. Il est aussi défini comme étant la propagation d’un débit supérieur à celui que peut contenir le cours d’eau. Pour bien caractériser l’aléa inondation, les hydrologues se servent de références historiques de crues. Ces données sont répertoriées aux archives départementales. Il existe aussi des repères de crues qui permettent de visualiser, in situ, le niveau atteint par les eaux lors d’une inondation. Ces marqueurs de crues permettent aussi de rappeler aux habitants l'existence des risques.

2.1.3. MODELISATION MATHEMATIQUE D’UN COURS D’EAU

Le cours d’eau Un cours d’eau a des spécificités remarquables qui sont utilisées pour le définir. Il possède un lit mineur, qui correspond à la zone dans laquelle coule habituellement le cours d’eau et un lit majeur, visible qui permet de voir le niveau d’eau maximum atteint par l’eau lors d’une crue (figure 2). D’après Garry et al. (2002), les cours d’eau possèdent 3 lits :

- Le lit mineur dans lequel l’eau est censée toujours s’écouler - Le lit moyen qui représente l’emprise de crues fréquentes - Le lit majeur dans lequel s’écoulent les crues exceptionnelles.

Parfois, les lits moyens et majeurs sont difficiles à différencier dans les plaines inondables.

5 Aléa : Probabilité de survenance d’un phénomène naturel. L’aléa inondation se définit grâce à des caractéristiques physiques que sont la hauteur d’eau et les vitesses d’écoulements. (PPRI BAIX, 2013). http://echo2.epfl.ch/e-drologie/chapitres/chapitre3/chapitre3.html

Figure 2: Repère de crue www.driee.ile-de-france.developpement-durable.gouv.fr

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Figure 3:Cours d'eau en situation ordinaire et en situation d'inondation (SAFEGE Ingénieurs conseils 2013)

De plus, on associe à chaque cours d’eau un bassin versant. Celui-ci représente une zone dans laquelle sont contenues toutes les eaux qui ruissellent vers le cours d’eau considéré. Ces eaux proviennent de la source du cours d’eau principal, de ses affluents mais aussi des précipitations et des eaux souterraines existantes (figure 3). D’après le site de l’Organisme du Bassin Versant du fleuve Saint-Jean situé au Canada, « Chaque bassin versant se caractérise par différents paramètres géométriques (surface, pente), pédologiques (nature et capacité d’infiltration des eaux), urbanistiques (présence de bâtiments), mais aussi biologiques (type et répartition de la couverture végétale). » (OBV du fleuve Saint-Jean, 08-03-2017)6

Figure 4: Définition schématique d'un bassin versant (OBV du fleuve Saint-Jean)

Modélisation d’une inondation Il existe deux types d’approches pour modéliser les cours d’eau : l’approche qualitative, soit l’étude du cours d’eau par analyse hydro-géomorphologique, et l’approche quantitative, plus mathématique, qui correspond à l’étude hydraulique du cours d’eau.

• Une méthode qualitative, l’hydrogéomorphologie Cette méthode, vieille d’une vingtaine d’années Goutx (2014) est utilisée pour les cours d’eau sinueux et difficiles d’accès sur lesquels aucune donnée de débit n’est renseignée. L'étude de photographies aériennes (photo-interprétation stéréoscopique) permet de repérer les emprises des lits mineurs, moyens et majeurs en analysant le terrain, la granulométrie des dépôts (argile et limon 6 http://obvfleuvestjean.com/quest-ce-quun-bassin-versant/

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dans le lit majeur), et la couleur de ces dépôts (plus sombre dans les lits majeurs) Garry et al. (2002). Sur le plan de zonage, le lit majeur renseigné est considéré comme étant le niveau maximum non dépassé par l’inondation et définit les zones inondables. La fiabilité, la facilité de mise en œuvre et le moindre coût de l’hydro-géomorphologie, rendent cette méthode intéressante, mais elle ne donne aucune indication de débit ou de vitesse d’écoulement. Ces données manquantes peuvent être observées grâce à une étude hydraulique du cours d’eau.

• Une méthode quantitative, l’étude hydraulique Un modèle hydraulique vise à résoudre des problèmes liés à l’eau dite « canalisée » Guinot (2003). En partant d’une portion de territoire définie, il est possible de créer un modèle conceptuel à partir de la géométrie du terrain, de paramètres et de variables. Puis, il est possible de créer un modèle numérique et grâce à son interprétation, de déduire les conséquences de différents scénarios sur la partie du territoire étudié. Guinot (2003) décrit 3 types de modèles de calculs :

- Boîte noire : Seules les variables d’entrée et de sortie sont ajustées. A partir de là, un résultat est obtenu mais les méthodes de calcul ne sont pas explicitées à l’utilisateur. Les modèles résultants sont obtenus rapidement mais les prévisions sont parfois fantaisistes.

- Conceptuel : C’est une représentation effectuée sous forme de compartiments qui échangent des flux. Ce sont des résolutions numériques.

- Mécaniste : On utilise ici la résolution des équations de Saint-Venant pour les écoulements en rivière ainsi que d’autres lois empiriques. Ce type de modèle admet des temps de calcul assez longs mais permet d’obtenir des résultats plus précis. Il existe aujourd’hui 3 types de modèles mécanistes (1D, 2D, 3D). Pour choisir entre ces différents modèles mécanistes, trois critères sont à prendre en compte :

• La qualité et la quantité des données en entrée • Le résultat recherché en sortie • La complexité du site étudié

Le modèle 1D permet de calculer des quantités moyennes sur un profil en travers. Il a besoin d’un nombre limité de données en entrée et permet d’obtenir des niveaux bathymétriques et piézométriques 7. Il est parfaitement adapté aux géométries simples. Le modèle 2D permet de calculer des quantités moyennes suivant la verticale en utilisant deux dimensions dans les calculs. Il prend en compte l’occupation des sols et le modèle numérique de terrain ainsi que des données de débit. A partir de ces données, on obtient des hauteurs d’eau, des vitesses et des zones d’expansion de l’inondation. Le modèle 2D est souvent utilisé pour des études réalisées à grande échelle.

7 Les niveaux bathymétriques représentent les hauteurs d'eau. Les niveaux piézométriques sont des lignes de charges.

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Le modèle 3D applique trois directions de l’espace à ses paramètres et à ses variables. Cette méthode nécessite d’importantes ressources, et les calculs sont par conséquent plus longs. C’est pour cette raison qu’elle est principalement utilisée pour des échelles locales d’une dizaine de mètres. Le tableau 2 reprend les critères à retenir en fonction des modèles mécanistes 1D, 2D et 3D.

Critère Modèle 1D Modèle 2D Modèle 3D

Qualité/quantité des données

Données créées manuellement et à partir

de données existantes (Création de profils en

travers de rivière et interpolation entre les

profils)

Nombre de données limitées

Maillage du terrain, donnée d’occupation des

sols (rugosité, type de sédiment etc...). Plus le MNT de base est précis,

plus le modèle est réaliste.

Nombre vaste de

données.

Modèle 3D du terrain et des infrastructures.

Nombre de données limitées.

Le résultat recherché en

sortie

Niveaux bathymétriques et piézométriques

Hauteur d’eau Vitesse d’écoulement

Zone d’extension

Visualisation 3D Hauteur d’eau

Vitesse d’écoulement

La complexité du site Géométrie simple

Zone étendue (à l’échelle du bassin

versant)

Site complexe, zone restreinte (10 m de

longueur de cours d’eau max.)

Tableau 2 : Récapitulatif des critères à prendre en compte en fonction des modèles

En général, la modélisation hydraulique 3D est très peu utilisée car elle nécessite un important temps de calcul et ne permet pas le travail sur des zones étendues. Les études se font très régulièrement en combinant les modélisations 1D et 2D. Le modèle 2D permet d’avoir une visualisation plus explicite que le modèle 1D. Mais l’association des deux permet de rajouter des conditions au modèle 2D, comme la forme précise du cours d’eau à un endroit donné.

Figure 6: Exemple de modélisation 1D (SEPIA conseil)

La figure 6 qui représente la modélisation 1D sous le logiciel HEC-RAS, permet de confirmer la construction du modèle sous forme de profils en travers. Tandis que la figure 5 offre une visualisation des vitesses d’écoulement de l’eau. Il s’agit d’une des représentations de résultat proposée par le logiciel HEC-RAS, lorsqu’on réalise une modélisation hydraulique 2D. Comme le précise Di Baldassarre et al. (2009) les modèles hydrauliques permettent la reconstruction a posteriori d’événements historiques passés.

Figure 5: Exemple de modélisation de la vitesse en 2D (The RAS solution)

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2.2. LES CRUES EN ARDECHE

2.2.1. LES CRUES DU RHONE

Le risque de crue en Ardèche est bien présent et se localise principalement le long du Rhône et dans le sud de l’Ardèche.

Grâce à la figure 7, récapitulative des risques d’inondation en Ardèche, nous remarquons que beaucoup de communes sont potentiellement exposées à ce risque. Ce ne sont pas moins de 154 communes concernées par les crues torrentielles et 36 communes pouvant être impactées par les crues du Rhône. Soit plus de la moitié du département est potentiellement impacté. Le département a mis en place différentes mesures pour lutter contre les inondations, telles que l’aménagement des cours d’eau, le repérage des zones inondées, la surveillance de la montée des eaux grâce à des stations de mesures, l’information de la population et la mise en place de plans d’évacuation des campings en bord de rivières. (Préfecture de l’Ardèche 2005).

Le Rhône est un fleuve bien étudié et surveillé car il est le principal causeur d’inondations pour les communes se trouvant à proximité. Son tracé a beaucoup évolué et la Compagnie Nationale du Rhône a construit de nombreuses digues et d’autres aménagements afin de prévenir les risques. La crue de référence correspond au débit enregistré en 1856. Cet événement de référence a permis de délimiter les zones inondables, et encore aujourd’hui la ligne d’eau de l’époque est utilisée comme référence.

Commune de BAIX,

emplacement du bureau

Figure 7: Les risques majeurs d'inondation en Ardèche (Préfecture de

l’Ardèche 2005)

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D’après les archives de Météo France, deux crues majeures ont touché le bassin du Rhône : en novembre 1840 et en mai 1856. Des débits, à prendre avec précaution, extraits de la thèse de Maurice Pardé (1925), donnent un ordre de grandeur de la catastrophe engendrée. Les débits observés étaient de l’ordre de 6000m3/s à Givors, 9500 m3/s au Teil, et 12500 m3/s à Beaucaire pour les plus importants 8. Des hauteurs d’eau de près de 8 m sont enregistrées dans différentes parties inondées. A la suite de cette seconde crue exceptionnelle, Napoléon III (figure 8) est venu faire la tournée des sinistrés. D’importantes sommes d’argent sont débloquées afin d’aider les sinistrés et de remettre en état les villes9.

Figure 8: Napléon III rendant visite aux sinistrés des inondations de Lyon, Hippolyte Lazergues, 1856

En 2010, le Comité Territorial de Concertation du Rhône Moyen veut représenter les inondations passées en 3 dimensions. Pour cela, il utilise la base de données topographiques Rhône réalisée par l’IGN pour représenter en 3D le territoire et créer un MNS. La figure 9 donne un aperçu du résultat qui représente de manière relativement explicite et facilement compréhensible, les niveaux d’eau atteints. Cette étude s'est faite en partenariat avec le Centre de Recherche en EnviroNnement et AMénagement de l’université de Saint-Etienne (CTDCRM 2006).

2.2.2. LES CRUES SUR LES PETITS AFFLUENTS

Le paragraphe précédent nous a permis de comprendre que le Rhône était, dans le Sud-Est, la principale cause d’inondations, bien qu’il s’agisse d’un fleuve canalisé et particulièrement surveillé. Les petits affluents peuvent aussi faire l’objet de crues torrentielles rapides dues à des précipitations intenses.

8(MétéoFrance@2017) 9(PAPOT 2006)

Figure 9: image extraite de la présentation CTCRM de F.Jacquinot et A.Bertrand - CRENAM Université de Saint-

Etienne

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Episodes cévenols

En Ardèche, les épisodes cévenols sont fréquents. Ils sont définis comme étant très importants et peuvent se dérouler sur plusieurs jours. Les rivières, qui la plupart du temps sont sèches, doivent donc supporter des débits d’eaux importants en un laps de temps très réduit, de l’ordre de quelques jours. Ces forts amas d’eaux peuvent former des inondations rapides et fortes qui causent souvent de nombreux dégâts. Ces épisodes cévenols interviennent généralement en début d’automne et sont causés par l’évaporation partielle de la mer Méditerranée, d’un vent du sud et du choc causé par le relief, plus froid, des Cévennes. Encore récemment, des inondations importantes ont été enregistrées, comme celle de l’Hérault, le 29 septembre 2014, où des précipitations de l’ordre de 300 mm ont été enregistrées à Montpellier en 3 heures, soit l’équivalent de 6 mois de pluie sur le territoire. (LaTerreDuFutur@2017, 09-03-2017)

3. GENERALITES SUR LA PHOTOGRAMMETRIE AERIENNE

3.1. LES BASES DE LA PHOTOGRAMMETRIE AERIENNE La photogrammétrie aérienne est basée sur les mêmes principes que la photogrammétrie terrestre. Seulement la composante Y est remplacée par la composante Z Grussenmeyer (2014). Grâce à elle, il est possible de représenter une grande portion de territoire sous forme d’orthophotographie ou de modèle 3D. Les points homologues sont localisés et liés entre eux sur les différentes photographies ce qui permet d'obtenir un nuage de points. Ce nuage n’est pas traversant, il ne représentera que les éléments visibles sur les photographies. Les pieds des bâtiments pourront, par exemple, ne pas apparaître. Lors de la préparation du vol, en connaissant la taille du capteur, la focale de l’appareil et la taille du pixel au sol souhaité, il est possible de définir l’altitude de vol à respecter. Autrefois, la photogrammétrie aérienne s’effectuait exclusivement avec des avions, ce qui revenait cher. Grâce aux progrès de la technologie, les drones ont fait leur apparition, ce qui a permis de réduire drastiquement le coût de la photogrammétrie aérienne. Les zones survolées sont moins importantes, ce qui laisse encore sa place à la photogrammétrie aérienne héliportée pour les zones très étendues.

3.2. LA PHOTOGRAMMETRIE AERIENNE PAR DRONE

3.2.1. LES DRONES

Histoire du drone Le drone a tout d’abord été mis au point pour des besoins militaires afin de limiter les pertes humaines. En effet, durant la seconde guerre mondiale, l’aviation a subi de nombreux dégâts. C’est de cette manière que l’idée d’avoir des avions pilotés à distance a vue le jour Le Tallec (2015a). Les acronymes Unmanned Aerial Vehicle (UAV), Unmaned Aircraft System (UAS) ou encore Remote Piloted Aircraft System sont utilisés de manière courante pour nommer un drone. Les drones militaires peuvent atteindre facilement des envergures de 40 mètres et des poids dépassant la tonne (drone Global Hawk) Le Tallec (2015b). Des drones civils plus petits sont arrivés sur le marché et ont été catégorisés en 2 types par un arrêté d’avril 2015 10:

10(DeveloppementDurable@2017 08-03-2017) http://www.developpement-durable.gouv.fr/drones-loisir-et-competition#e2

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- Catégorie A : il en existe de deux types, captifs (reliés au sol ou à une personne et allant jusqu’à 150 kg) et non captifs (masse inférieure à 25 kg). Ces seconds drones doivent avoir une motorisation correspondante à différents critères.

- Catégorie B : ce sont tous les drones ne répondant pas aux critères de la catégorie A. Les différents drones existants

Nous allons plus particulièrement nous intéresser aux drones civils dont il existe deux types principaux : multicoptères et ailes volantes. Les drones multicoptères (appelé également multi-rotors) sont des drones à hélices qui peuvent décoller à la verticale. Ils possèdent de 4 à 8 pales et ont des envergures allant de 50 centimètres à deux mètres. Il est possible d’effectuer des vols stationnaires et cette catégorie de drone est très maniable. En fonction des modèles, elle permet d’emporter jusqu’à 5 kg de charge en plus de son poids. Cependant, son autonomie est limitée (20 min) et le montage de ces drones est relativement complexe.

Les « ailes volantes » sont des drones très légers et ayant une grande autonomie (40 min). Ils permettent de couvrir de larges surfaces rapidement. Malgré ces avantages, ils ne permettent pas d'emporter une charge utile importante, ce qui peut limiter l'utilisation de certains capteurs.

La réglementation

Plusieurs arrêtés ont été publiés en avril 2012 dont deux principaux sont relatifs :

- A la conception des aéronefs civils qui circulent sans aucune personne à bord, aux conditions de leur emploi et sur les capacités requises des personnes qui les utilisent.

- A l’utilisation de l’espace aérien par les aéronefs qui circulent sans personnes à bord. En décembre 2015, ces articles ont été revus et simplifiés. Une vidéo11 réalisée par la DGAC 12 (Ministère de la transition écologique et solidaire) résume les 10 « commandements » du drone que voici :

1- Ne pas survoler des personnes, les hélices peuvent être dangereuses 2- Hauteur maximale de vol autorisée : 150 mètres 3- Garder le drone à vue et ne pas voler de nuit 4- Ne pas voler en agglomération 5- Ne pas survoler de lieux destinés à l’aviation 6- Ne pas survoler les sites sensibles et protégés (centrale nucléaire, base militaire…) 7- Respecter la vie privée des personnes 8- Ne pas diffuser des images sans l’accord des personnes qui apparaissent dessus 9- Etre assuré en cas de dommage causé par le drone 10- Se renseigner auprès de la DGAC si des doutes subsistent.

11(DGAC@2017 08-03-2017) http://www.les-drones.com/reglementation/# 12 Direction Générale de l'Aviation Civile

Figure 10: Drone quadricoptère Phantom 3 pro (site DJI)

Figure 11: Aile volante SenseFly ebee (angeleyes)

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Les professionnels doivent, en plus de suivre ces règles, déclarer leur activité à la DGAC et renouveler leur déclaration tous les ans en cas de changement dans leur activité. De plus, les télépilotes doivent obtenir un certificat d’aptitude théorique et un niveau pratique avant de pouvoir piloter un drone. En règle générale, un professionnel doit demander des autorisations préalables s ‘il souhaite survoler une zone qui est habituellement interdite. Le 1er janvier 2017, les drones ont dû être équipés d’une commande manuelle de coupure moteur, indépendante des automatismes embarqués de contrôle de la trajectoire. Le 27 janvier 2017, un nouvel arrêté a été publié visant à fixer les limites des prises de vues aériennes avec des capteurs, en listant les zones interdites. Ces zones ont été définies par des points connus en coordonnées géographiques et listés par commune. 157 communes sont touchées d’après l’arrêté paru au journal officiel le 29/ 01/ 201713.

3.2.2. LES LOGICIELS DE TRAITEMENT DES DONNEES

Les drones peuvent fournir différents résultats : des vidéos, des photographies, des données thermographique etc... Certains logiciels sont plus ou moins adaptés pour traiter ces données. Le mémoire rédigé par Thibaut Dudka (2015) propose dans son état de l’art un tableau récapitulatif et non exhaustif des solutions existantes détaillé ci-après.

Logiciels de traitement photogrammétrique

Solutions WEB Solutions payantes Solution Open Source

PhotoSynth + Toolbox Recap 360 123DCatch Correlator3D Pix4D Photomodeler Photoscan Visual

SFM

Pastis Apero

MicMac Utilisateur

Système d’exploitation Tous Tous Tous Windows Windows Windows Tous Tous Tous

Langue Fr/Ang Fr/Ang Fr/Ang Anglais Fr/Ang Anglais Ang/Russe Anglais Fr/Ang

Développer Microsoft Autodesk Autodesk Simact ive Pix4D SA Eos system Agisoft C.Wu MATIS IGN

Prix Gratuit 55€/an Gratuit 5900 € 2 600 $/an 2495 $/an 3500 € Gratuit Gratuit Interface +/- ++ ++ ++ ++ + ++ +/- +/-

Traitement Points de

calage - Oui - Oui Oui Oui Oui - Oui

Orientation Externe - Exp lo itable - Approximation

à fournir Explo itable Explo itable Explo itable Explo itable Explo itable

Limites de photos 2 Go 5G0 40 photos

max - - - - - -

Produits Export du nuage de

points Oui Oui - - Oui Oui Oui Oui Oui

Orthophotos - - - Oui Oui Oui Oui - Oui Maillage

triangulaire 3D 3D 3D 2.5D 3D 3D 3d/2.5D - 3D

Rapport d’erreurs - - - Oui Oui Oui Oui - Oui

Editions des seamlines - - - Oui Oui Masqué Masqué - Masqué

Figure 12 : Logiciels disponibles pour le traitement photogrammétrique [PFE T.DUDKA, 2015]

Dans la suite de son étude Thibaut Dudka (2015) testera plus en détail trois logiciels, à savoir Pix4D, Photoscan et la suite d’applicatifs PAM (Pastis Apéro Micmac). Au final, le logiciel retenu sera Pix4D pour sa facilité d’utilisation et ses bons résultats. TECHNI DRONE utilise également ce logiciel pour ses traitements photogrammétriques.

13(Legifrance@2017, 08-03-2017)

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4. LES MODELES HYDRAULIQUES

4.1. LE PRINCIPE Un modèle hydraulique permet d’effectuer une étude hydraulique quantitative dont nous détaillerons le principe dans ce paragraphe. En fonction de paramètres en entrée, il est possible de modéliser une inondation et de prévoir l'impact qu’elle engendrera avec comme résultats des débits et des hauteurs d’eau. Il faut cependant veiller à ne pas confondre le modèle hydraulique et le modèle hydrologique. En effet, le modèle hydrologique, ou modèle pluie-débit, permet de déduire de la pluie tombée sur chaque bassin versant, un débit à l’exutoire. Celui-ci prend également en compte l’évapotranspiration.

4.1.1. LES LOGICIELS EXISTANTS

Les solutions logicielles capables de gérer des modèles hydrauliques sont assez confidentielles et peu nombreuses. En effet, beaucoup de paramètres rentrent en compte et ce sont les hydrauliciens qui, en raison de leur complexité, gardent la main sur ces modélisations. Il existe deux types de calcul proposés par les logiciels : la modélisation hydraulique avec un calcul en 1 dimension, qui permet de gérer plus de paramètres mais plus compliqué à mettre en place, et la modélisation hydraulique avec un calcul en 2 dimensions où l’on utilise moins de paramètres et qui fournit un résultat plus explicite. Laganier (2014), dans sa thèse, propose une définition expliquant l’utilisation d’un modèle hydraulique. Selon lui, il s'agit d'une solution qui « permet de modéliser les caractéristiques d’une crue se propageant sur le linéaire du cours d’eau. » Dans la suite de ce chapitre nous ferons référence aux différents logiciels de modélisation hydraulique les plus courants. Logiciels capables d’effectuer des calculs hydrauliques

HEC-RAS permet d’effectuer des calculs d’écoulement à surface libre. Il résout les lois physiques des écoulements en fonction de la géométrie et de la rugosité du cours d’eau et du débit. C’est un logiciel développé par l’armée des Etats-Unis et proposé au grand public. Il est bien documenté et de nombreux projets sont calculés via ce logiciel. (Brunner & CEIWR-HEC 2016; SelectedSolutions@2017, 08-03-2017) La suite de logiciels ATHYS (atelier en hydrologie spatialisée) développés par l’IRD14, est composé de 4 modules : MERCEDES, VYSHYR, VICAIRE et SPATIAL. Le module MERCEDES ou « maillage élémentaire régulier carré pour l’étude des écoulements superficiels » est conçu pour l’analyse et la prévision des écoulements d’origine superficielle. Grâce à ce module, il est possible de prévoir des crues, de gérer les ressources en eau et d’effectuer des études d’impacts liés à des changements géographiques ou anthropiques. Le module VYSHYR permet d’effectuer des opérations de correction de calcul de gestion et de visualisation des données hydro-climatiques ponctuelles. Quant à VICAIRE, il est destiné à visualiser, analyser et corriger des données géographiques spatialisées. 15Cette suite d’applicatifs est plus utilisée pour des modèles hydrologiques et des calculs pluie/débit. Le logiciel TELEMAC (2D) - MASCARET (1D) développé par EDF16 et le CETMEF 17 fonctionne en ligne de commande. TELEMAC permet d’effectuer des simulations 2D et MASCARET seulement des simulations 1D. Des interfaces comme FUDDA PREPRO et

14 Institut de Recherche et de Développement 15(ATHYS@2017 08-03-2017) http://www.athys-soft.org/ 16 Electricité De France 17Le Centre d’Études Techniques Maritimes Et Fluviales, est un service technique central à compétence nationale.

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BlueKenue permettent d’exécuter les fonctions proposées par le logiciel sans lignes de commande. Cependant, il est difficile à installer et sa prise en main reste complexe. Les logiciels HydraRiv et Hydra-city développés par SETEC HYDRATEC permettent respectivement de simuler des écoulements fluviaux, et de simuler les aléas d’inondation en milieu urbain. De nombreuses collectivités utilisent ce logiciel, dont la Compagnie Nationale du Rhône. Le groupe Hydropraxis propose le logiciel PCSWMM pour effectuer des modélisations hydrauliques. Ce logiciel utilise une base de données qui peut être intégrable dans un SIG et faciliter les rendus 18. L’ensemble ALISON propose à la vente le logiciel CANOE Hydraulique qui permet de faire de la modélisation hydrologique ou « pluie-débit », de dimensionner des ouvrages, d’effectuer des modélisations hydrauliques avancées, pour les réseaux et ouvrages complexes, et de simuler des rejets de polluants. 19 Le groupe XP solutions 20 propose aussi des logiciels permettant d’effectuer des modélisations hydrauliques. Le logiciel XPStorm permet de combiner des modèles hydrologiques et hydrauliques. XP2D permet de combiner les modèles hydrauliques 1D et 2D et d’avoir une visualisation facilitée. XPSwmm (Storm Water Management Model) permet de gérer les eaux pluviales, les plaines inondables et les rivières et les eaux usées en une ou deux dimensions. La suite de logiciels MIKE, développée par l’entreprise DHI permet de gérer de nombreux problèmes liés à l’eau. MIKE 21 permet d’effectuer de la modélisation hydraulique 2D alors que MIKE 11 propose seulement de réaliser des modèles 1D. Tableau récapitulatif

Logiciel Développeurs Calcul en deux dimensions Prise en main Type de solution

HEC-RAS Armée américaine Oui +++ Gratuite MERCEDES,

VYSHYR, VICAIRE et SPATIAL

ATHYS Oui + Gratuite

TELEMAC 2D -MASCARET 1D EDF Oui + Gratuite

HydraRiv et Hydra-City

SETEC HYDRATEC Oui / Payante

PCSWMM HYDROPARXIS Oui / Payante CANOE

Hydraulique ALISON Non / Payante

XPStorm, XP2D, XPSwmm XP solutions Oui / Payante

MIKE 11 et MIKE 21 MIKE Oui / Payante

Tableau 3 : Récapitulatif des logiciels de modélisation hydraulique

Lors de mes travaux, je me suis focalisée sur les solutions gratuites pour des raisons de stratégies de l'entreprise. La comparaison des différentes solutions testées m'a permis de synthétiser leurs

18(PCSWMM@2017 08-03-2017) http://www.hydropraxis.com/presentation-de-pcswmm-france/ 19(Canoe@2017 03-08-2017) https://www.alison-envir.com/v3/hydrologie/logiciel-canoe 20(XPsolution@2017 03-08-2017) http://xpsolutions.com/Sectors/Stormwater-Flooding/

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caractéristiques dans le tableau 3. Il ressort de mon analyse qu'en raison de sa facilité d'utilisation, de sa large diffusion et de son importante documentation, la solution HEC-RAS semble être la plus adaptée à la poursuite de mon travail et aux besoins de TECHNIDRONE.

4.1.2. LES TYPES DE MODELES PROPOSES

Modèles hydrologiques

Les modèles hydrologiques sont nombreux. En effet, dans sa thèse Laganier (2014) expose différents modèles permettant de calculer des crues à cinétiques rapides. Par exemple :

- ALHTAÏR : Il s'agit d'un modèle conceptuel, rapide avec peu de données en entrée. Il est utilisé en prévision opérationnelle.

- CVN : Modèle basé sur la classification du bassin en zones ayant des réponses hydrologiques semblables.

- MARINE : Le modèle découpe le bassin en mailles régulières carrées et fait fonctionner trois modules qui permettent respectivement d’évaluer l’infiltration, d’estimer les écoulements et de les représenter en surface.

- MODSPA : Le modèle assimile le bassin versant à un double réservoir. A partir de là, il est capable de prendre en compte l’infiltration de l’eau, la capacité maximale de stockage et l’évaporation de l’eau.

- Modèles dérivés de la théorie du SCS (Soil Conservation Service) : ils considèrent les évolutions des crues au fil du temps et de l’espace et les coefficients de ruissellement.

- TOPMODEL : Le modèle utilise les écoulements, les ruissellements, et est très complet. Modèles hydrauliques

Les modèles hydrauliques reposent la plupart du temps sur la résolution des équations de Saint-Venant. Celles-ci peuvent être à une ou deux dimensions. Dans ce cas, une composante « y » est rajoutée. Ces équations ont été établies en 1871 par Barré de Saint-Venant. Elles décrivent l’écoulement d’un fluide dans un canal de faible profondeur. Il est constitué de deux lois de conservation : une équation de conservation de la masse et une équation de conservation de la quantité de mouvement (Coron & Le Rousseau 2013).

𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕

+ 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕

= 𝑞𝑞 Equation de continuité (1) 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕

+ 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕�𝛽𝛽 𝜕𝜕2

𝜕𝜕�+ 𝑔𝑔𝜕𝜕 𝜕𝜕ℎ

𝜕𝜕𝜕𝜕+ 𝑔𝑔𝜕𝜕(𝑆𝑆𝑆𝑆 − 𝑆𝑆𝑆𝑆 ) = 0 Equation de la dynamique (2)

Équation 1: Equations de Saint-Venant 1D

Ci-dessus, les équations de Saint-Venant en une dimension avec,

- t, temps (s) - x abscisse curviligne (m) - Q = Q(x,t) le débit (m3/s) - A = A(x,t) la surface mouillée (m²) - Q = q(x,t) le débit linéique d’apport latéral (m²/s), tel que q > 0 pour un apport et q < 0 pour

une perte - β le coefficient de Boussinesq, sans dimension, caractérisant les variations de vitesse dans la

section transversale - g, l’accélération de la pesanteur (m/s²) - h = h(x,t) la hauteur d’eau ou profondeur (m) - Sf = Sf(Q,y) la pente de la ligne d’énergie, fonction des frottements sur le fond, caractérisant

les pertes de charges dites régulières (m/m)

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- S0 =S0(x) la pente du lit (m/m) D’après Laganier (2014) la formule de Manning est le plus souvent utilisée pour exprimer la pente. Elle se formule de la manière suivante :

𝑆𝑆𝑆𝑆 = � 𝜕𝜕

𝐾𝐾𝐾𝐾𝜕𝜕𝑅𝑅23� ² (3)

Équation 2 : Formule du coefficient Sf

Avec : - Ks le coefficient de Strickler (m1/3 / s), qui équivaut à la rugosité du sol d’écoulement. - R le rayon hydraulique (m), tel que R =A/P avec P le périmètre mouillé (m).

Coefficients de Strickler : Source : Guide méthodologique, Méthodologique (2000), p.13

Coefficients de Manning : Source : sites.uclouvain.be Pour que ces équations fonctionnent il faut que plusieurs hypothèses soient respectées, à savoir :

- Une direction privilégiée doit être donnée pour l’écoulement ; - La pression sur la verticale est répartie de manière hydrostatique ; - Le cours d’eau doit avoir une pente faible inférieure à 10% ; - La densité de l’eau est considérée constante.

Pour certains modèles, les équations de Saint-Venant simplifiées suffisent. Dans ce cas-là (Sf = S0), on part du postulat que la pente de la ligne d’énergie est égale à la pente du lit du cours d’eau.

4.2. LE CHOIX POUR L’ETUDE Compte tenu de la politique de l'entreprise et comme décrit dans le paragraphe précédent, c'est le logiciel HEC-RAS qui a été retenu pour l'étude. Pour utiliser au maximum les données offertes par le drone, c'est un modèle hydraulique 2D qui sera réalisé. Sous HEC-RAS, pour obtenir le plus simplement possible un résultat, il suffit d’intégrer un MNS raster de la zone, de définir une zone d’étude, de donner une condition amont et une condition aval, et de simuler la crue. Bien entendu, il est possible d’ajouter des paramètres tels que la rugosité du cours d’eau pour se rapprocher au plus près de la réalité.

5. LES MODELES 3D, VISUALISATION D’INONDATION La visualisation 3D d’une inondation a été expérimentée par Jacquinod et Lagrumier auprès d’élus afin de permettre une meilleure compréhension de l’aléa. Un code couleur avait été instauré présentant les hauteurs d’eau supérieur à 1 mètre avec un bleu plus foncé. Dans l’ensemble, les élus ont eu du mal à se repérer dans la maquette mais après quelques passages répétés de la vidéo, ils ont apprécié le résultat obtenu. A l’instar d’un plan 2D, cela leur a permis de mieux se représenter l’espace inondé et les maisons touchées. Dans l’ensemble, la 3D apporte une meilleure compréhension de l’aléa inondation une fois que les personnes se sont orientées sur la maquette. Ces conclusions sont tirées du compte rendu écrit par Jacquinod et Lagumier (2010).

5.1. LES SOLUTIONS EXISTANTES Pour effectuer une maquette 3D à partir d’un relevé photogrammétrique, il est possible de mailler le nuage de points initial afin d’obtenir un Modèle Numérique de Surface. Celui-ci prend beaucoup de temps de calcul surtout sur une zone habitée et ne donne pas forcément des rendus esthétiques en raison de la végétation. Il serait intéressant de classifier les données afin de ne conserver que le

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Modèle Numérique de Terrain sans sursol (végétation et bâtiments). Ensuite, rajouter les bâtiments simplifiés par des cubes et des blocs de végétation.

5.1.1. LES ETUDES DEJA EFFECTUEES

Jacquinod et Lagumier (2010), lors de leur présentation aux élus, utilisent un MNT issu des données de l’IGN et montrant des bâtiments simplifiés qui suffisent à l’interprétation visuelle de l’aléa inondation. La reconstruction des bâtiments a déjà donné lieu à des créations d’algorithmes. Ils permettent de retrouver les plans des toits et de créer des arêtes en combinant les plans de ces toits avec les données cadastrales d’emprise des bâtiments Fuchs et al. (2002). Dans une autre étude, Sugihara et Hayashi (2004) présentent une méthode de modélisation de bâtiments automatique en utilisant les outils SIG issus de l’ensemble ESRI, plus particulièrement la simplification des bâtiments par élimination des arêtes gênantes. Ils obtiennent des résultats plus que satisfaisant comme nous pouvons le voir sur la figure 13. Certains scientifiques recherchent principalement à détecter automatiquement les contours des bâtiments via différents algorithmes groupés pour ensuite trouver une correspondance entre les lignes. Les lignes sont en 3D et les résultats obtenus sont intéressants. A partir de ces lignes, il est possible de créer des plans qui peuvent s’intersecter pour former les arêtes des toits par exemple. Puis, les plans peuvent être texturés si l’angle d’inclinaison n’est pas trop élevé Baillard et al. (1999). Il est aussi possible de télécharger directement les bâtiments simplifiés via certains serveurs comme l’IGN qui propose une couche 3D à rajouter dans des logiciels SIG tel que ArcScène. Vectuel 21 permet aussi d’effectuer des maquettes 3D. L’entreprise Spaceyes permet, comme ses concurrents, de récupérer des bâtiments 3D réels. Mais toutes ces solutions sont payantes. Google Earth propose à ses utilisateurs d’intégrer des bâtiments particuliers en 3D et s’est mis à modéliser de grandes villes. Ces données sont en téléchargement libre, cependant les petites villes comme notre site d’étude ne sont pas encore disponible au téléchargement. Le logiciel SketchUp22 permet lui aussi de modéliser des bâtiments en important les cartes de Google Maps. Cependant, à part pour les données fournies par l’IGN, aucune précision n’est renseignée sur la position des bâtiments. Pour une maquette uniquement informative qui ait pour principal objectif une localisation et un repérage sommaires, on pourrait admettre que la précision de l’emplacement des bâtiments ne soit pas primordiale. Cependant dans un souci de justesse et de précision des informations fournies, nous avons voulu intégrer le critère de qualité des données dans nos travaux.

5.1.2. LES LOGICIELS UTILISES

TECHNIDRONE possède une licence GeoMensura qui est un logiciel permettant de faire des maquettes, des calculs de volume et des créations de projets en trois dimensions. Il est possible d’intégrer la base de données de la BD TOPO© de l’IGN qui contient les bâtiments en 3D, et de rajouter des images issues de Google Earth. 21(Vectuel@2017 10-03-2017) http://www.vectuel.com/maquette-numerique-3d/?cat=39 22 Tuto modélisation bâtiments : (Sketchup@2017 08-03-2017) https://fr.tuto.com/sketchup/techniques-de-modelisations-d-exterieurs-sketchup,41593.html

Figure 13: Modèle urbain de la zone autour du château Ogaki (Sugihara and Hayashi, 2004)

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Le logiciel LUMION permet lui aussi d’effectuer des maquettes réalistes 3D mais il est payant et ne semble pas intégrer un MNT de base. Il en résulte la création d’un environnement totalement fictif. Le logiciel Geovast3D permet de gérer les nuages de points et données photogrammétriques grâce à une solution en temps réel nommé « Big Data ». L’outil Solidscan permet de nettoyer le bruit des nuages. Le but de l’entreprise est de conserver un maximum de détails du modèle 3D en ne le maillant pas. Cette méthode permet d’effectuer des mesures sur le nuage facilement. Dans la suite de logiciels ESRI, il existe des extensions telles que ArcGIS 3D Analyst, qui permet de visualiser, d’analyser et générer des surfaces. ArcGlobe permet, quant à lui, de visualiser en 3D le globe terrestre se rapprochant de la solution Google Earth. Le logiciel SpaceEyes3DBuilder23 allie les formats SIG et la modélisation 3D. Grâce à cette double fonction, il est possible d’intégrer des couches de données issues de différents formats et d’effectuer de la 3D. Ce logiciel est payant mais a un espace Viewer qui permet de visualiser les données sur un serveur. Il a déjà permis d’effectuer une cartographie 3D d’inondations pour le PPRI de Lyon. C’est cette solution qui a servi de support à Jaqcuinod et Lagumier (2010). Autodesk propose le logiciel Infraworks 360 qui permet de créer des projets sur des données existantes.

5.2. LE CHOIX DE LA SOLUTION POUR L’ETUDE Le logiciel MENSURA est déjà utilisé par l’entreprise pour la création de modèle 3D. Ils sont créés à partir de lignes caractéristiques qui sont tracées sur le nuage de points et utilisées pour la création d'un MNT du terrain. Une fois que le modèle 3D existant est créé, il est possible d'ajouter des plateformes nouvelles afin de modéliser un projet de fronts de tailles par exemple. L'ensemble est livré au client via le logiciel ACUTE3DVIEWER ce qui lui permet de circuler librement dans le modèle 3D. Un rapport comprenant des vues et des calculs de déblais/remblais accompagne le modèle 3D.

MENSURA sera donc utilisé pour l’étude en le comparant à d’autres logiciels libres tel que

SketchUp.

23(Spaceyes@2017 08-03-2017)

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CCCHHHAAAPPPIIITTTRRREEE IIIIII

MMMAAAQQQUUUEEETTTTTTEEE &&& MMMOOODDDEEELLLIIISSSAAATTTIIIOOONNN HHHYYYDDDRRRAAAUUULLLIIIQQQUUUEEE

Pierre VERBEKE, L’inondation, 2ème moitié du 20ème siècle

29/77

1. CHOIX DU SITE DE L’ETUDE Afin de tester et de valider le travail réalisé durant cette étude, il a été décidé de s’intéresser à un lieu d’étude de manière approfondie. Ce lieu devait se trouver à proximité du bureau de BIAX pour des raisons pratiques. Il devait également être sujet à des inondations et proposer un ensemble de documents techniques concernant les crues. Après quelques recherches sur les lieux répondant à ces critères, c’est la commune de Meysse qui a été retenue.

1.1. LE LAVEZON, TOUTE UNE HISTOIRE

1.1.1. LA COMMUNE DE MEYSSE

La ville de Meysse est située en Ardèche. En 2014, 1325 habitants ont été dénombrés. Cette ville est longée par le Rhône. Des repères de crues du Rhône ont été implantés. Cependant, comme le montre la figure 14, la ville de MEYSSE n'est pas directement impactée par ces crues.

La commune de Meysse a tout de même été retenue en raison de la présence d'un autre cours d'eau. Le Lavezon traverse la ville de part en part et se jette dans le Rhône un kilomètre après la sortie de l'agglomération.

1.1.2. LE LAVEZON

Le Lavezon prend sa source sur le plateau du Coiron, situé sur la commune de BERZEME vers 700 mètres d’altitude. Il s’agit d’un affluent du Rhône dont la longueur est de 16,3 km. Son bassin versant occupe une surface de 57 km². Cette rivière a 7 affluents dont 6 ruisseaux : ceux de Saraut, de Marquet, de Liaud, de Bourdarie, des Freydières et de la Coutelle ainsi que d’une rivière, le Rieutord. Le Lavezon traverse cinq communes à savoir BERZEME, SAINT-MARTIN-SUR-LAVEZON, SAINT-PIERRE-LA-ROCHE, ROCHEMAURE et MEYSSE. La rivière du Lavezon est sujette aux crues éclair caractéristiques des Cévennes. Ces crues éclair sont dues aux épisodes cévenols qui enregistrent en un court laps de temps, d’énormes cumuls de pluie. Elles sont dangereuses, car imprévisibles, et charrient d’importantes quantités d'éléments solides.

200 m

N

200 m

N

Le Lavezon n’a pas de repères de crues inscrits.

Le Lavezon

Figure 14 : Plan de situation de Meysse [GoogleMap 2017, Geoportail 2017]

N

MEYSSE

PRIVAS

VALENCE

MONTELIMAR

60 km

30 km

10 km

Meysse

Repères de crues

30/77

Figure 15: Carte de situation du Lavezon (Google Map)

La Lavezon se divise en 3 grands secteurs : le secteur amont est très encaissé et présente des pentes importantes de l’ordre de 10%. Le secteur central possède un lit qui s’élargit et des pentes moins fortes (2 à 6%) et enfin, le secteur aval du Lavezon présente une typologie de rivière divaguante avec des pentes de l’ordre de 1%. En 2008, des relevés photogrammétriques et terrestres ont été réalisés afin de réaliser une étude morphodynamique et de proposition de gestion du transport solide du bassin versant du Lavezon. Un MNT avec un pas de 2 mètres au sol a été créé à cet effet. En considérant la géologie du lieu, on constate que l’érosion de ce secteur est assez lente car la zone amont du Lavezon est basaltique. De plus, il y a beaucoup de formations marneuses et marno-calcaires qui sont imperméables, cela empêche l’infiltration de l’eau de pluie dans la terre et augmente l’effet de ruissellement en créant de petites ravines. (CIDEE 2008). De 1907 à 2003, une vingtaine d’événements liés aux crues éclair du Lavezon ont été recensés. Certains ont engendré des morts et des dégâts importants. Le tracé de cette rivière n'a probablement pas beaucoup évolué depuis des milliers d’années. Il se trouve que le chemin d'écoulement du cours d'eau se situe entre deux vallées encaissées ce qui limite les possibilités de modification de son tracé. D'un point de vue environnemental on note la présence de deux Zones Naturelles d’Intérêts Ecologiques, Faunistique et Floristique (ZNIEFF) de type II, une en amont (le plateau et les contreforts du Coiron) et une en aval de la rivière (le moyen Rhône et ses annexes fluviales). Le fait que ces zones soient de type II indique que la préservation des populations animales et végétales ainsi que la protection de la ressource en eau sont importantes.

Le lavezon 16 km

Le plateau du Coiron, Berzème

Meysse

Le Rhône

N

31/77

1.2. UNE ETUDE EXISTANTE Une étude pour la Communauté de Communes de Meysse avait été réalisée en 2008 fournissant des données de débits, indispensables pour réaliser une modélisation hydraulique fiable. Ces données, si elles n’étaient pas existantes, auraient dû être relevées à l’aide de stations hydrométriques, un matériel spécifique, que ne possède pas TECHNIDRONE. Sur le Lavezon, il n’existe pas de mesures directes du débit. C’est pour cette raison que l’étude menée par le CIDEE en 2008 propose d’utiliser les valeurs d’un bassin versant similaire, l’Eyrieux, et d’appliquer un rapport de surface pour trouver les valeurs correspondantes au Lavezon. Le tableau suivant reprend les résultats issus de cette étude.

Débits moyens hors crues : QLavezon =QEyrieux x (SLavezon/SEyrieux)

Bassin versant Eyrieux

Bassin Versant L

(Total)

L1 (Conf24.Rieutord)

L2 (Conf. Tire-Bœuf)

R1 (Conf. Lavezon)

R2 (Gué de Peyrerol)

Superficie (km²) 392 56.9 28.5 13.6 16.1 7.7

Débit moyen annuel (m3/s) 8.9 1.3 0.6 0.3 0.4 0.2

Débit d’étiage (m3/s) 0.41 0.06 0.03 0.014 0.017 0.008

Débit en crue décennale (méthode Crupédix simplifiée pour régions cévenoles) :

Q10 = A0.8 x α

A = Superficie du bassin versant en km² α = coefficient compris entre 5 et 10 (ici, on conserve 5 car cela correspond mieux au climat du Lavezon)

Q 10 m3/s 127 73 40 46 26

Q 30 160 90 50 60 30 Q 100 250 150 80 85 50

Pluviométrie sur le bassin versant du Lavezon (mm)

Date de crue Sep. 1960 Sep. 1992 Jan. 1994 Nov. 1996 Oct. 1999 Précipitation

en mm 100/150 50/100 100/190 150 et 190 (sur 2 jours) 50/100

Tableau 4 : Tableau récapitulatif des résultats trouvés pour l'étude du Lavezon

Le débit centennal a été calculé en utilisant trois méthodes, à savoir : l’application des modèles de Soyans et de Florac, la méthode du GRADEX, et simplement la multiplication du débit décennal par deux. Ces méthodes permettaient respectivement de trouver 214, 241, 281 et 254 m3/s. Une approximation du débit centennal à 250 m3/s semble être cohérent avec ces différents résultats et sera utilisé dans la suite de l'étude. Le débit trentennal a été trouvé en appliquant les modèles de Florac et de Soyans (Bouanani et al., 10-03-2017), puis en prenant la valeur arrondie à la dizaine suppérieure du résultat de ces modèles. Des hydrogrammes de crues CIDEE (2008) sont disponibles pour des crues décennales, trentennales et centennales pour chaque bassin versant considéré.

24 CONF = Confluence

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Figure 17: Hydrogramme du Lavezon crue décennale

Figure 18: Hydrogramme du Lavezon crue centennale

Commune Enjeux Exposition Vulnérabilité

Meysse

- Zones d’habitations (centre historique)

- Digues - Pont SNCF - Pont RN86 - Bâtiment commercial des

carrières - RD2 - Enrochement de protection

secteur gué militaire - Mur de soutènement Bouvier - Réseaux d’eau/Gué - Aire de pique-nique - Gué militaire

En contrebas des digues de protection Creusement du lit, affouillement Affouillement Affouillement Zone inondable Attaques de berges, méandre agressif Déstabilisation, attaque de berges Affouillement, attaque de berge Affouillement du gué Zone inondable Affouillement

+++++

+++++ ++++ ++++ +++

+++

+++

+++

+++ ++ +

Rochemaure

- Cité du barrage et quartier Malarias

- RN86 - Zone industrielle

Risque de déstabilisation des berges d’inondations Exposition indirecte au risque d’inondation

+++++

++++ +++

Tableau 5 : Vulnérabilités d'ouvrages sur les communes de Meysse et Rochemaure

L’étude du CIDEE (2008) a proposé un tableau recensant la vulnérabilité d’ouvrages en fonction de l’importance des usages qui en sont faits. Par exemple, une habitation admet un niveau de vulnérabilité supérieur à une zone d’activités. Le tableau 5 ne reprend que les vulnérabilités des communes de Meysse et Rochemaure.

Figure 16:Hydrogramme du Lavezon crue trentennale

33/77

Les enjeux en gras ont été situés sur une photographie aérienne afin de permettre une meilleure compréhension du site.

Figure 19: Plan de situation des ouvrages présentant les enjeux les plus forts [GoogleMap,2017]

2. MISE EN PLACE ET CHOIX DE LA METHODE La méthode mise en place lors de cette étude se décompose en trois phases distinctes. La première consiste en la réalisation d'une maquette tridimensionnelle de la zone étudiée. Cette étape nécessite l'acquisition de données et leur traitement, permettant d'aboutir à une maquette numérique. La seconde phase comporte la modélisation hydraulique. Il s'agit d'utiliser les données hydrauliques, et d'en extraire un modèle de crue. Enfin, la dernière phase a pour objectif l'intégration du modèle hydraulique à la maquette numérique. L'ensemble obtenu permettra de faire ressortir et d'analyser les risques en trois dimensions. Ces différentes phases seront détaillées dans ce chapitre.

2.1. ACQUISITION DES DONNEES

2.1.1. PREPARATION DE LA MISSION

• Choix de la zone d’étude

L'analyse du Tableau 5, représentant les zones susceptibles d’être inondées, nous a permis de déterminer une zone d'intérêt à relever. Cette zone comprend le pont de la RN86, le centre historique de Meysse et le quartier Malarias (figure 19). Ces zones peuvent potentiellement être touchées par des inondations.

Figure 20 : Zone de survol prévue

N

N

70 m

Centre historique Meysse

Pont RN86

Pont SNCF

Quartier Malarias

Zone de survol

32 km²

34/77

• Méthode de relevé préconisée

L’objectif de la mission terrain était d’obtenir un Modèle Numérique de Terrain (MNT) de la zone comprenant des points dans la rivière. Or, lors d’un relevé photogrammétrique, les surfaces d’eau ne sont pas représentables car la surface est trop homogène pour que des points homologues existent. C’est pour cette raison qu’il a fallu effectuer un relevé des fonds de l’eau.

Préparation du relevé bathymétrique

En période d’étiage, le Lavezon est presque à sec. Par conséquent, nous n'avons pas pu utiliser le drone bateau bathymétrique que possède TECHNIDRONE car la profondeur d’eau n’était pas assez importante. Une hauteur d'eau d'un mètre minimum est en effet nécessaire au bon fonctionnement de ce drone. La vitesse de l’eau étant relativement faible pour qu’une personne debout dans le lit de la rivière puisse réaliser le relevé sans risque d'être emportée. En fonction de la zone de survol, nous avons noté que la longueur totale du cours d’eau était d’environ 1 kilomètre. L’ensemble du cours d’eau sur la zone d’étude est assez régulier : il n’y a pas de changement d’aspect brut (les berges restent semblables le long du cours d’eau) ni une grande sinuosité. Connaissant ces paramètres, nous avons pu définir la méthode à employer pour lever des points dans le cours d’eau. L’entreprise possède des GNSS différentiels Leica connectés grâce à un abonnement Orphéon. Ce matériel a permis d’effectuer un relevé de la zone en créant des profils tous les 10/15 pas. Nous avons choisi une densité importante des profils malgré un cours d’eau sans grand changement d’aspect, pour rester cohérent avec la densité de points du futur nuage de points levé par drone.

Préparation du vol à l'aide d'un drone

La zone de survol définie passe au-dessus d’habitations et est proche de la centrale nucléaire de CRUAS. Or, dans ce genre de situation, il est impératif de demander des autorisations de vol aux personnes concernées. D’après la figure 21, qui représente les restrictions aéronautiques, nous remarquons que la zone d’étude se trouve en dehors du périmètre de protection de la centrale nucléaire de CRUAS. Néanmoins, nous leur avons signalé notre venue. Nous avons aussi demandé au maire de MEYSSE l’autorisation de survol de la ville que nous avons obtenue. Une demande à la préfecture a aussi été effectuée. En fonction de la zone de levé et des risques autour de cette zone, il a fallu définir le type de scénario de vol dans lequel nous allions être. Pour un vol en agglomération, c’est le scénario S3 qui s’applique. Le télépilote doit être à une distance horizontale maximale de 100 mètres du drone, il doit voler à vue et de jour à une hauteur de vol maximale de 150 mètres. Si le drone

N

Figure 21: Extrait de la carte OACI-VFR

[Geoportail 2017]

1 km

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choisi dépasse les 2 kilogrammes, il doit être homologué auprès de la préfecture. (scénario de vol en drone@2017)25 En fonction de ces paramètres définis, il a été possible de choisir le drone à utiliser ainsi que la précision que l’on souhaitait obtenir sur les points. L’aile volante Ebee de la marque SenseFly est homologuée pour pouvoir voler lors d’un scénario de type S3. Le capteur utilisé est le Canon PowerShot S110 de dimensions 24 x 36 millimètres. La taille des images en sortie sont de 4000 x 3000 pixels.

𝑝𝑝 (𝑚𝑚𝑚𝑚) =24

3000 𝑆𝑆𝑜𝑜 𝑝𝑝 (𝑚𝑚𝑚𝑚) = 36

4000

𝑝𝑝 = 0.008 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑆𝑆𝑜𝑜 𝑝𝑝 = 0.009 𝑚𝑚𝑚𝑚 Équation 3: Equation permettant de trouver la taille d'un pixel image en millimètres

Les pixels résultants ne sont donc pas carrés mais cela n’entraînera pas d’incertitudes sur la suite des calculs. Nous voulions obtenir un modèle avec une taille de pixel au sol d’environ 3 centimètres. Pour cela, nous avons défini une hauteur de vol variant entre 70 et 80 mètres. Le drone Ebee a la particularité de suivre la dénivelée naturelle du terrain. Par conséquent, il n'est pas nécessaire d'analyser les différences d'altitude de vols de la zone survolée. Avec cette hauteur de vol et connaissant la focale de l’appareil d’environ 24 millimètres, nous obtenons bien un pixel au sol d’environ 3.35 +/- 0.37 cm.(Cf : 2.1)

- p la taille du pixel image (mm) - P la taille du pixel au sol (mm) - c la focale (mm) - D la distance totale du capteur à l’objet (mm)

D’où, 𝑃𝑃 (𝑚𝑚𝑚𝑚) = 𝑝𝑝 (𝑚𝑚𝑚𝑚) × 𝐷𝐷 (𝑚𝑚𝑚𝑚 )𝑐𝑐 (𝑚𝑚𝑚𝑚 )

Équation 4: Equation de la taille d'un pixel au sol

L’autonomie d’un drone Ebee est en moyenne de 30 minutes de vol. Afin de respecter la règlementation, nous avons choisi d’effectuer 4 plans de vols. Pour obtenir plus de détails entre les rues étroites de MEYSSE, le choix d’un vol croisé a été réalisé. Il accentue le recouvrement entre les photos, ce qui augmente le nombre de points homologues sans pour autant effectuer de photos obliques qui demande un temps de réalisation plus important. Trois vols longitudinaux ont été planifiés avec un recouvrement entre les photos de 70%, ainsi qu’un vol transversal ayant un recouvrement de 90% entre les photos.

25 dernier accès le 11-07-2017 , https://www.drone-expert-services.fr/scenarios

Figure 22: Schéma simplificateur du fonctionnement d'un appareil

36/77

2.1.2. RELEVE DE LA MISSION

Afin d’optimiser le temps d'acquisition des données, deux équipes se sont déployées pour réaliser les profils en travers le long du Lavezon à l'aide de méthodes topographiques classiques. Un télépilote s’occupait des relevés photogrammétriques. L’objectif étant de lever les profils pendant que le télépilote effectuait ses vols. En arrivant sur le terrain, nous avons effectué un repérage des lieux et placé les cibles qui permettent le géoréférencement du projet. Sept cibles ont été positionnées le long du cours d’eau dans des emplacements accessibles, non privés, stables et visibles. Ces points ont été fixés à l’aide de deux grands clous par cibles car elles ne doivent pas bouger pendant le relevé aérien. Les cibles ont été placées sur différents niveaux altimétriques afin de garantir la précision altimétrique du modèle.

Les points rouges sur la figure 23 représentent les photos prises. Les croix bleues représentent l’emplacement des cibles. Les cibles ont ensuite été relevées au GNSS dans le système de coordonnées RGF93 CC45.

Pendant que le télépilote effectuait ses vols, nous avons levé les profils de la rivière en RGF93 CC45. Chaque équipe est partie d’une des extrémités de la zone à relever, l’objectif étant de se rejoindre au milieu. La première équipe avait pris soin de numéroter ses points à partir de 1000 et la seconde à partir de 2000. De cette manière, une

fois que les fichiers ont été regroupés, il n’y a pas eu de points doubles. A la fin du relevé, le télépilote a vérifié que les photos ont bien été prises et qu’elles sont de bonne qualité. La radiométrie des photographies a notamment été contrôlée afin d'éviter le risque de surexposition.

• Conclusion Au final, ce sont 32 hectares qui ont été relevés. 674 photos ont été nécessaires pour couvrir la zone de vol, et 402 points relevés sur les profils. Cette mission aura pris 5 heures, de l’arrivée sur site au ramassage des cibles.

Figure 23: Plan de vol, emplacement des photos et des cibles

Figure 24: Visualisation des profils réalisés

N

N

200 m

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2.2. CREATION DE LA MAQUETTE 3D A la suite du relevé de la zone, c'est la phase de traitement des données qui intervient. Le traitement photogrammétrique sera explicité ainsi que la création de la maquette. Celle-ci se découpera en plusieurs parties, soit : le nettoyage du nuage de point, la création des bâtiments et l'intégration d'un ouvrage d'art.

2.2.1. TRAITEMENT PHOTOGRAMMETRIQUE

TECHNIDRONE utilise PIX4D pour traiter les données photogrammétriques acquises. D’après l’état de l’art (§3.2.2 p.21) ce logiciel suisse est déjà très utilisé et comporte dans l’ensemble de nombreux avantages vis-à-vis de ses concurrents.

• Traitement sous PIX4D PIX4D fonctionne par étapes de calcul qui sont au nombre de trois et sont clairement définies, à savoir :

- Traitement initial qui correspond à la recherche des points homologues entre les images et à la calibration de la caméra de l’appareil.

- Nuage de points et maillage qui correspond à la densification du nuage initial et à la génération du maillage 3D texturé.

- MNS, Orthophoto et Indices qui permet de créer un modèle numérique de surface, une orthophotographie assemblée ou non de la zone et différents autres rendus d’analyse possibles.

La première étape consiste en l’import des photographies et des coordonnées des cibles. Il a ensuite fallu pointer les cibles et lancer le premier calcul rapide. Cela a permis de donner un premier nuage de points mais surtout, les photos se sont bien placées les unes par rapport aux autres.

Figure 25 : Résultat de l'étape 1 sousPIX4D, recherche des points homologues

A la suite de cette étape, l’ensemble des cibles ont été pointées sur toutes les photographies sur lesquelles elles étaient visibles afin de maximiser le degré de précision. Afin d'obtenir un nuage de point plus important et plus réel, la densification du nuage a été lancée.

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Figure 26: Résultat de l'étape 2 sous PIX4D, Densification du nuage de point

Le maillage directement sous PIX4D donne des résultats cohérents lorsque la surface est plane et uniforme. Il est également nécessaire d'être en présence d'un nuage exempt de points aberrants. Cette condition n'était pas remplie par le projet. Au niveau des ombres des bâtiments ou dans les ruelles étroites de MEYSSE, beaucoup de points sont mal interpolés par le logiciel. La figure 27 illustre bien le propos. Certains points de façades sont manquants ce qui s'explique aisément par l'absence de vol de prises de vues obliques. Un maillage moins réaliste sera obtenu.

Figure 27: Nuage de point densifié PIX4D, points aberrants

Comme nous pouvons le constater sur la figure 28, certaines parties du nuage maillé s'éloignent de la réalité. L’église de MEYSSE ressemble plus à un bâtiment inventé qu’à son véritable aspect. Une des faces du pont n’a pas été relevée. Nous observons que le maillage sur cette partie est donc mauvais. On constate également l'apparition d'incohérences dans les rues étroites, le logiciel n’a pas bien interpolé les points du sol et certains points sont au niveau des toitures sans en faire partie. Le maillage reflète bien ce problème en créant des « murs » là où il n’y a qu’une ruelle étroite.

Figure 28: Exemples de maillages sous PIX4D

Outre la réalisation d'un maillage, le logiciel permet aussi l’export d’une orthophotographie et d’un MNS raster.

• Temps de traitement avec un ordinateur de 16Go de RAM :

ETAPES Calcul initial Densification Texturage Génération MNS

Génération de l’orthophotographie

Temps de calcul 38 min 56s 2h 09min 18s 24min 18s 40min 38s 1h 25min 27s

Total 5 heures 30 minutes Tableau 6: Temps de calcul PIX4D

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Le tableau ci-dessus permet de se représenter le temps qu'ont mis un ordinateur et le logiciel PIX4D pour effectuer l'ensemble du traitement photogrammétrique. Comparé aux projets réalisés au sein de l'entreprise, c'est un temps de calcul moyen représentatif.

• Précision du géoréférencement D’après le rapport PIX4D (annexe), les écarts-types globaux sur les points sont :

- En X de 4.4 millimètres - En Y de 7.6 millimètres - En Z de 2.7 millimètres

Le géoréférencement est donc tout à fait correct. La figure 29 représente les ellipses d’incertitude autour des points ainsi que les zones ayant les plus forts recoupements (nuances de gris). En l’observant, nous remarquons que les points externes ont des ellipses d’incertitude plus importantes que les points internes et plus particulièrement à l’ouest de la zone. Cet effet est probablement dû au fait que le relief est plus important à cet endroit, ajouté au manque de recoupement entre les photos et à l’extrémité de la zone. La position des points de contrôle joue aussi sur la taille des ellipses.

Même si ces points ont des ellipses d’incertitude plus importantes, cela ne gênera pas la suite des travaux car la zone d'intérêt se situe au centre du relevé.

• En conclusion Le nuage de points densifié final se compose de 48 041 384 points. Il aura fallu 5 h 30 min de traitement afin d’obtenir les résultats finaux. Les points centraux de l’étude ont été vérifiés et approuvés car beaucoup d’images les recoupent. L’ensemble du nuage a été exporté pour être utilisable sur d’autres logiciels.

2.2.2. CREATION DE LA MAQUETTE

Nous avons remarqué que le maillage sous PIX4D réalisé de manière automatique et sans travail préparatoire n'était pas très réaliste. Le maillage sur certains emplacements est incohérent, tel que l’illustre la figure 28. Il ne pouvait donc pas être utilisé comme modèle tridimensionnel de la zone d'étude. Afin d’obtenir une maquette réaliste, j'ai souhaité respecter la norme de modélisation City GML, avec un niveau de détail LOD261. Ce niveau de détail correspond à des bâtiments ayant des toits

26 Level Of Detail

N

Figure 29: Ellipses d'incertitude sur les points PIX4D

40/77

plats. Il existe 4 niveaux de détails, allant du toit plat aux moulures des façades et à l’intérieur des bâtiments. Pour l’étude, le niveau sera suffisant et adapté aux besoins. Pour générer cette maquette simplifiée, différentes étapes ont été réalisées, à savoir la création et le nettoyage d’un MNT, suivis de la réalisation des bâtiments et du pont de la RN86. Lorsque l’équipe traitement fait des MNT, elle n’utilise pas directement le nuage de points mais trace les lignes de ruptures de pente sur le nuage et triangule le terrain grâce à ces lignes de ruptures. Les avantages du nuage de points permettant une profusion de détails ne sont donc pas tous exploités. L'entreprise utilise cette méthode afin d'alléger la taille des données en conservant une précision supérieure à des relevés topographiques classiques.

• Nettoyage du nuage de point Le nuage de points initial comportait des voitures, des arbres, des lampadaires, des murs… Et tout autre objet différent du sol. Afin de partir sur une base propre, j’ai voulu éliminer ces éléments perturbateurs de manière efficace et rapide. Pour cela, plusieurs solutions étaient possibles, tels que la classification manuelle des éléments, l’application d'algorithmes permettant d’extraire les zones de sol. CloudCompare possède une large gamme de plugins libres développés quotidiennement. L’un d’entre eux s’inspire d’un travail de thèse proposant une nouvelle méthode de classification des points du sol et du sursol (Wuming Zhang, Jianbo Qi, Peng Wan 13-03-2017) et se nomme CSF 27. Il classifie les points du sol et du sursol de manière automatique. Son principe est assez simple, l’algorithme retourne le nuage de points et simule une surface sous le nuage qu’il a pris soin de transformer en raster avant. Les points du sol sont proches de cette surface donc ils ne changent pas. Lorsqu’il tombe face à un « creux », il interpole les points pour aller jusqu’aux prochains points du sol. Cette méthode est très efficace et est simple de compréhension. Avant de lancer l’algorithme, il faut définir l’aspect général du terrain (pentu, relief ou plat). Il est aussi possible de régler la taille des cellules servant à créer une grille raster. Plus la taille de cellule sera importante, plus le MNT obtenu sera grossier. L’algorithme propose un nombre d’itérations maximum que le logiciel peut effectuer pour que le modèle converge. Il est aussi possible de modifier la distance permettant de classifier les points du sol et du sursol en fonction d’une ligne définie par l’algorithme. Le nombre d’itérations est fixé à 500 et suffit pour la majorité des scènes. La distance est fixée à 0.50 m par défaut et suffit aussi pour la majorité des scènes. En effectuant différents tests faisant varier le type de terrain (pentu, relief ou plat) et la taille de cellule, nous constatons les résultats suivants :

TEST Nombres de points obtenus Temps de calcul Points classifiés

« sol » Visuel obtenu

Situation initiale 48 041 384 / / /

Relief_0.20 m 31 985 953 716.5 s 66.58 % Conserve beaucoup

de toits et des bords de bâtiments

Relief_0.50 m 30 639 387 203.3 s 63.78 % Bon résultat, reste certains toits hauts

bien délimités

Relief_0.80 m 28 415 801 48.5 s 59.15 % Ne trouve que du

sol mais il en manque

27 Cloth Simulation Filter (Wuming Zhang, Jianbo Qi, Peng Wan, 2016)

41/77

Relief_2.00 m (par défaut) 18 246 117 19.4 s 37.98 % Rapide, manque

des points du sol

Plat_2.00 m 17 592 755 14.2 s 36.62 %

Equivalent à Relief_2.00 m

trouve moins de points du sol

Plat_0.50 m 29 833 699 200.2s 62.1 %

Equivalent à Relief_0.50 m mais

trouve moins de points

Tableau 7 : Résultats des tests réalisés pour obtenir une bonne classification via le plugin CSF

Ces différents tests nous permettent de conclure qu'en fonction de la disposition du terrain le type de terrain Relief est plus adapté que le type Plat. Pour ce qui est de la taille de cellule, le fait de réduire la taille de la cellule n'engendre pas nécessairement une meilleure classification des points. Les tailles de cellules à 0.50 m et 0.80 m sont de bonnes alternatives pour la classification des points. Ce qui différencie ces deux dimensions de cellules, c’est que 0.80 m ne conserve aucun toit mais trouve moins de points du sol alors que 0.50 m conserve quelques toits (surtout sur les gros bâtiments) mais trouve plus de points du sol. Pour mon étude j’ai préféré utiliser une taille de cellule à 0.50 m et supprimer les quelques toits résiduels. Le tableau 8 permet de visualiser la classification effectuée avec R_0.80 m et R_0.50 m. Ainsi, j’ai classifié facilement les points qui serviront à la création d’un MNT.

Relief_0.80 m Relief_0.50 m

En vert, les points du terrain manquants, en rouge les toits des bâtiments encore apparents

Tableau 8 : Illustration des résultats CSF R_0.50 m et R_0.80m

50 m 50 m

30 m 30 m

42/77

Le fait de relancer le filtre CSF sur le nouveau nuage classifié des points du sol n’améliore pas le résultat obtenu. PIX4D permet aussi d’exporter un MNT raster de la zone mais à la place des bâtiments, des bulles se forment, ce qui ne fournit pas un résultat juste ni convaincant. Il est aussi possible de classifier manuellement le nuage directement sous PIX4D et d’exporter le nuage obtenu, mais cette étape prend beaucoup de temps. En conclusion, l’outil CSF permet d’obtenir un résultat cohérent rapidement qui ne demande que très peu de reprise.

• Maillage du nuage de points

Pour mailler le nuage des points du sol résultant, plusieurs logiciels étaient à ma disposition. CloudCompare, Pix4D et Mensura étaient les principaux déjà utilisés par l’entreprise. CloudCompare propose différents outils de maillages à savoir :

- Delanay 2.5D XY Plane (1) - Delaunay 2.5D (best fitting plane) (2) - Poisson Surface Reconstruction (3)

Le maillage par la méthode (1) ne conserve pas la couleur des points. La méthode (2) conserve les couleurs des points et maille correctement les zones où la densité de points est importante. Cependant, à l’emplacement des bâtiments du centre-ville, comme les points du sol sont rares, le maillage est assez anarchique. La figure 30 illustre le propos. La méthode (3) ne convient pas pour des objets à mailler non clos. Le résultat du maillage n’était donc pas très convaincant. Sous PIX4D, il est possible d’importer un nuage de points externe et de mailler le résultat en relançant la dernière étape de calcul. Mensura ne peut pas travailler avec un nuage de points trop important, mais il permet de créer des projets en trois dimensions, ce que les autres logiciels ne font pas. C’est pour cette raison qu’il a fallu alléger le nuage en supprimant des points. Cette étape a été réalisée sous CloudCompare en échantillonnant le nuage qui comportait un point tous les 3 centimètres, à un point tous les 2 mètres. J’ai aussi pu supprimer les points de surface de la rivière et les remplacer par les points du relevé bathymétrique. Les deux nuages ont été fusionnés. Ce nuage final servira de base sous MENSURA pour la suite des travaux.

• Travail sous MENSURA MENSURA travaille sous forme de modules. Ces modules permettent d’effectuer différentes actions telles que des calculs topographiques, de la DAO, des rendus 3D, des projets plateforme… Pour créer la maquette, trois modules sont à utiliser, à savoir :

- le module DAO, - le module terrain, - le module rendu 3D.

Figure 30 : Visualisation du maillage avec la méthode 2

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L’import du nuage de points s’effectue dans le module terrain. Celui-ci triangule automatiquement l’ensemble des points et il est possible d’observer le résultat dans le module rendu 3D.

Figure 31 : Visualisation 3D du MNT brut (à droite) et du MNT nettoyé manuellement (à gauche)

Nettoyage du maillage

Dans le rendu 3D, certaines incohérences apparaissent. Les triangles se forment quels que soient les points. Par exemple, à certains endroits des maisons sont accolées à des murs sans les toucher, et les points entre le bâtiment et le mur n’ont pas été conservés par l’algorithme CSF. (Exemple entouré en bleu sur la figure 31). Dans ces cas-là, pour coller à la réalité, il faut baisser manuellement l’altitude de ces points. Lorsqu’on observe la route (cercle jaune sur la figure 31), on remarque que celle-ci est pleine de « nid-de-poule » créés lors du maillage entre les points. Ils ne sont pas parfaitement coplanaires et le nuage admet une certaine épaisseur qui empêche les triangles d’être cohérents. Ces triangles ont été supprimés via le module terrain. Autour de la maquette, certains points ont été maillés entre eux alors qu’ils ne sont pas censés l’être (cercle rouge sur la figure 31). Là encore, un travail de nettoyage a été nécessaire. Afin d’affiner le résultat du maillage, j’ai rajouté certaines lignes de rupture. Cependant, à certains emplacements, le maillage est déjà tellement serré que rajouter une ligne de rupture n’améliore pas forcément le résultat. En effet, de très longs triangles se forment au sommet des lignes de ruptures et il n’est pas conseillé d’utiliser ce type de triangles car ils ne sont pas les équilatéraux possibles comme ce que la triangulation de Delaunay préconise. Ces étapes de nettoyage et d’affinage du maillage sont assez chronophages mais nécessaires pour l’obtention d’une maquette réaliste ne comportant pas d’aberration. Le résultat présenté en figure 31 illustre le propos. On constate en effet que la seconde image présente un MNT beaucoup plus homogène conservant tout de même un nombre important de points du nuage initial. Malheureusement, aucune automatisation n’est possible via Mensura. C'est donc un travail manuel.

Modélisation des bâtiments Après l’obtention d’un MNT propre, vient la modélisation des bâtiments. Pour que le résultat soit le plus représentatif de la réalité, je souhaitais respecter la hauteur réelle des bâtiments. Pour cela, plusieurs solutions ont été envisagées. La première étant l’extraction des bâtiments via le nuage de points et le maillage de ceux-ci individuellement. Pour cela, il suffit de créer un nuage de

N N

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points où seuls les bâtiments sont compris, et d’utiliser l’outil segmentation de CloudCompare afin de créer de nouveaux nuages de points pour chaque bâtiment. L’idée était de tracer les lignes caractéristiques des bâtiments et de les mailler individuellement et de les réintégrer en tant qu’objet sous Mensura.

Cependant certains bâtiments n’avaient pas de points bien définis aux extrémités ce qui ne facilite pas le dessin des bâtiments. C’est sous le logiciel SketchUp que les points des bâtiments ont été importés. Les commandes du logiciel ne sont pas très optimisées. La création d’arêtes puis de plan en fonction d’un nuage de points reste assez limité et prend beaucoup de temps. Le logiciel AutoCad aurait permis la création de plan de manière plus fluide. Néanmoins, cette méthode reste manuelle.

La seconde solution était d’extruder les bâtiments en fonction de leurs contours. Ceux-ci pouvaient être extraits du cadastre ou retracés manuellement sur une orthophotographie. Cependant, le cadastre ardéchois manque de précision, de nombreux décalages sont observés (figure 33) et il n’est pas forcément à jour. C’est pour cette raison que le détourage des toits a été effectué sur l’orthophotographie, générée par PIX4D, dans le module DAO de MENSURA.

Figure 33 : Cadastre de MEYSSE, non mis à jour et décalage par rapport à la réalité [Géoportail 2017]

Pour respecter la contrainte visant à obtenir des bâtiments ayant une hauteur réelle, il a fallu trouver un moyen d’obtenir la hauteur des bâtiments. La première solution a été de pointer des points sur toutes les hauteurs de toit de MEYSSE sous PIX4D et d’exporter ces points sous SketchUp. Puis, d’y importer les contours en deux dimensions en les mettant à une altitude fixe inférieure à la plus faible altitude du terrain naturel. Il ne restait plus qu’à extruder ces bâtiments jusqu’aux points servant de sommets de bâtiments. L’ensemble était évidemment géoréférencé.

Figure 32 : Modélisation de bâtiments sous SketchUp

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Figure 34 : Modélisation des bâtiments de la ville de Meysse sous SketchUp

Les hauteurs des bâtiments étaient nettement plus importantes que la normale à cause de l’altitude de départ des contours de bâtiments. Cependant, avec l’import du terrain sur la maquette, le dépassement des bâtiments aurait été caché. Les problèmes d’affichage de SketchUp ne permettaient pas d’obtenir un rendu optimal de la maquette et le texturage des bâtiments était compliqué. La seconde solution était d’utiliser l’outil « modeleur de bâtiment » sous MENSURA. Cet outil permet de créer une ville avec seulement les contours des bâtiments en deux dimensions. Les bâtiments peuvent avoir des toits plats, à quatre ou deux pans et sont projetés sur la surface du terrain.

Figure 35 : Modélisation des bâtiments sous Mensura

L’avantage de cet outil est qu’il est possible de sélectionner plusieurs contours et de créer simultanément des bâtiments ayant des hauteurs aléatoires définies par des hauteurs d’étage maximale et minimale. Cet outil est pratique pour créer rapidement une ville fictive. Pour répondre au critère de hauteur réelle que je m’étais fixée, il a fallu que je mesure pour chaque bâtiment, leur hauteur. J’ai donc, sur un document Word, inséré des captures d’écran de l’orthophotographie et ai numéroté les bâtiments. Puis, j’ai créé un fichier Excel dans lequel apparaissent les champs indiqués en figure 36.

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Figure 36 : Méthodologie pour le relevé des hauteurs des bâtiments

Mon étude a été découpée en 7 zones avec un code couleur que l’on retrouve autour de la zone agrandie et le long du tableau Excel dans lequel se trouvent les hauteurs des bâtiments. Pour remplir ce tableau, j’ai relevé les altitudes au sol et au sommet de chaque bâtiment sur le nuage de points densifié PIX4D. Les toits à 2 pans ont une certaine hauteur de la faîtière à la gouttière qui, après moyenne, correspond à environ 2.5 mètres (dans cette zone). La colonne 2.5 coïncide donc avec la hauteur du bâtiment moins ces 2.5 mètres. Après avoir effectué ce travail, j’ai modelé un à un les bâtiments grâce à leur contour et à leur hauteur. Tous les toits à pans multiples n’ont pas forcément été modélisés, seulement ceux dont la faîtière est dans l’axe du côté le plus long. En effet, Mensura ne permet pas encore de choisir l’axe de la faîtière c’est automatiquement le côté le plus long du rectangle qui servira d’axe faîtier. Cette dernière solution prend du temps mais permet d’obtenir un résultat réaliste et adapté directement au terrain.

Texturage des bâtiments Cette étape a été réalisée en créant une palette de textures des bâtiments et des toits représentatives de la réalité. De plus, certaines photographies de façades ont été placées sur les bâtiments. Au final, c’est environ 110 textures de façades, 60 textures de bâtiments et 30 textures de toits qui ont été utilisées.

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Figure 37 : Exemples de textures utilisées

• Intégration d’un ouvrage d’art

Sur la zone d’étude, il existe un pont. En premier lieu, il ne devait pas être modélisé ou apparaître dans la maquette. C’est pour cette raison que seule une face du pont comportait des points, mais il m’a été demandé de l’ajouter. La première hypothèse était la construction du pont à partir du nuage de points via SketchUp. Le résultat était intéressant mais manquait de précision à cause des systèmes d’accrochage objets de SketchUp. Lorsqu’il y a trop de points, il est difficile de savoir quel point est utilisé par le logiciel. La seconde hypothèse a été de tracer les lignes caractéristiques du pont sous PIX4D, de les exporter et de créer les éléments solides en fonction de ces contours.

Figure 38 : Construction du pont sous SketchUp à partir des polylignes et problèmes d'affichages

Nous remarquons via la figure ci-dessus que le résultat reste cohérent visuellement. En observant les problèmes d’affichage, on se rend compte de l'imprécision des accrochages dans le logiciel et donc du modèle du pont.

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Afin d’obtenir un modèle plus précis, j’ai utilisé le logiciel AUTOCAD pour modéliser le pont grâce à la visualisation 3D que le logiciel propose. Ces modes d’accrochage sont beaucoup plus précis ce qui entraînera un modèle 3D lui aussi plus précis. Pour construire le pont, j’ai utilisé des primitives géométriques telles que des cylindres et des cubes. L’ensemble dessiné a été exporté en .dxf ce qui a permis de l’ouvrir sous SketchUp V7 et de texturer le modèle. Il est possible d’intégrer des objets .skp dans MENSURA. C’est de cette manière que le pont a été intégré à la maquette.

Figure 39 : Pont modélisé sous AUTOCAD, texturé sous SketchUp intégré sous MENSURA

Il n'a pas été possible d'utiliser l'orthophotographie pour générer la texture du modèle pour des raisons de projection des éléments de voirie sur la face inférieure du pont.

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2.3. MODELISATION D’UNE INONDATION SUR LE LAVEZON AVEC HEC-RAS La maquette numérique étant réalisée, il a fallu trouver une méthode permettant de représenter l’avancée d’une inondation en fonction des données de débit connues. (§4.2 p.25). Pour cela, il fallait déjà réaliser une simulation de crue. Après différentes recherches, c’est la création d’une modélisation hydraulique qui permettra de visualiser l’avancée d’une inondation avec des données de débit. L’hydraulique des crues ne faisant pas partie de mes compétences primaires, j’ai préféré me concentrer sur la manière de représenter ces données hydrauliques plutôt que sur les calculs inhérents qui pourront être, le cas échéant, réalisés par des spécialistes. Comme je l'ai montré dans la première partie de ce mémoire, je me suis focalisée sur le logiciel HEC-RAS pour les problématiques d'hydraulique. Ce logiciel développé par l’armée américaine est largement utilisé par la communauté scientifique des hydrologues. Depuis la version 5.0.3, il intègre la fonction de calcul de crue en deux dimensions que j’utiliserai pour la suite.

2.3.1. CREATION D’UNE MODELISATION HYDRAULIQUE

• Présentation du logiciel

Figure 40: Interface du logiciel HEC-RAS

Pour que le logiciel fonctionne, différents fichiers doivent être créés : - Le fichier de géométrie « Geometry.g01 » (1)28 - Le fichier de condition « Unsteady Flow.u01 » (2)29 - Le fichier de définition des paramètres de calcul « Plan.p01 » (3)30

L’ensemble des fichiers sont regroupés dans le fichier projet « Project.prj » (4). Pour que la création des différents fichiers indispensables aux calculs fonctionne, il faut penser que celui-ci utilise les normes américaines, à savoir le point comme virgule, et la représentation de l’heure du type « Mois/Jour/Année ».

• Etapes de calculs La première étape de la mise en œuvre du logiciel est la création du terrain servant de base aux calculs de modélisation. Ce fichier doit être au format raster et doit représenter la zone à calculer en contenant les obstacles (arbres, voitures, bâtiments…). Ce sera donc le MNS raster créé par PIX4D qui devra être utilisé. Néanmoins, ce MNS raster n'inclus pas les discontinuités d'altitude. Le pont, par exemple, est représenté par un barrage car les arcades ne sont pas prises en compte. Pour éviter de fausser les calculs, j’ai supprimé les points du pont et recréé un MNS raster. Cette étape a été réalisée grâce à PIX4D. J’ai supprimé les points du pont sur le nuage et l’ai enregistré en .laz. Puis, j’ai importé ce nuage sans pont sous PIX4D et ai relancé la dernière étape 28 Ce fichier permet de définir le MNS raster comme "terrain" à utiliser et la délimitation de la zone d'étude. 29 Ce fichier permet d'intégrer les conditions d'écoulement amont et aval de la rivière ainsi que leurs emplacements. 30 Ce fichier permet de lier la position des conditions amont et aval à des hydrogrammes de crues connus.

1

2

3 4

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de calcul ce qui m’a permis d’obtenir un MNS raster sans pont de la zone d’étude. Ce fichier a été utilisé pour la suite des calculs. Lors de l’import du fichier terrain, le logiciel demande de définir la projection utilisée et donne la taille de cellule du MNS raster. Celle-ci était de 50 centimètres, ce qui est déjà faible pour une modélisation hydraulique. En général, une modélisation hydraulique ayant des tailles de cellules entre 1 et 2 mètres est considérée comme précise. Toutefois, en général, les études effectuées sont réalisées sur des zones nettement plus importantes que la zone d’étude, ce qui justifie une taille de cellule plus importante. Une résolution de 50 centimètres reste donc assez précise pour l'étude. Une fois que le fichier « terrain » est généré, il peut être utilisé pour la création du fichier de géométrie. Ce fichier est en fait la délimitation de la zone sur laquelle le logiciel calculera la simulation. Le logiciel maille la zone délimitée dans laquelle il est possible d’intégrer des lignes d’arêtes. Ces mailles sont d’environ 1 m².

Figure 41 : Calcul des mailles sous HEC RAS et visualisation de ces mailles à l'emplacement des lignes de rupture

Puis, il faut indiquer au logiciel les emplacements des conditions d’écoulement amont et aval. Ces conditions d’écoulement sont ensuite paramétrées en créant le troisième fichier nécessaire à la bonne marche des calculs. La condition aval est définie par un coefficient de rugosité. La condition amont est définie par les hydrogrammes de crue. Pour obtenir un résultat cohérent, j’ai entré les hydrogrammes de crue en miroir, afin d'avoir un flux croissant et décroissant de l'eau, comme ce qui se produirait dans la réalité.

Figure 42 : Hydrogramme de crue décennale initial et hydrogramme de crue utilisé sous HEC-RAS

• Choix des valeurs de débit utilisées Sur les hydrogrammes de crue disponibles dans le rapport de l’étude du bureau CIDEE, cinq courbes de débit sont données. La courbe Bv_t correspond au débit total du bassin versant à

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l’arrivée dans le Rhône. Les courbes Lavezon 1, Rieutord 1, Lavezon 2 et Rieutord 2 correspondent à des valeurs de débit le long du Lavezon. Le schéma suivant indique l’emplacement de ces débits et permettra une meilleure compréhension de l’ensemble.

Figure 43 : Schéma où sont représentés les débits Bv_t, L1, L2, R1 et R2

Si le débit L1 prend en compte le débit L2 et que le débit R1 prend en compte le débit R2, nous pouvons considérer que le débit sur la zone d’étude sera d’environ L1 + R1. Cette hypothèse sera utilisée pour la suite des calculs et appliquée aux différentes crues décennale, trentennale et centennale.

• Définition des paramètres avant le lancement des calculs Après avoir créé l’ensemble des fichiers nécessaires au calcul, le dernier fichier de paramétrisation du calcul est à mettre en place. Celui-ci définit les différents programmes à lancer pour la réalisation d’une simulation en deux dimensions. L’intervalle de calcul est un des paramètres déterminants pour l’obtention d’un modèle stable.

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Afin de trouver le bon intervalle de calcul il faut vérifier que le modèle corresponde à certains critères explicités ci-dessous (Gary W. Brunner (2016); Brunner et al. (2016); Brunner & CEIWR-HEC (2016)). Tout d’abord, le coefficient C doit être inférieur ou égal à 1.

𝐶𝐶 = 𝑉𝑉𝑒𝑒𝜟𝜟𝜟𝜟𝛥𝛥𝜕𝜕

≤ 1.0 Équation 5 : C, le critère à respecter pour obtenir l'intervalle de calcul

Sachant que 𝛥𝛥𝜕𝜕 ≤

0,15𝐷𝐷𝐾𝐾0

,

Équation 6: Critère permettant de trouver la distance à appliquer entre les profils

que 𝑉𝑉𝑒𝑒 = 3

2 × 𝑉𝑉

Équation 7: Equation permettant de trouver la vitesse d'écoulement de l'eau

et que 𝜟𝜟𝜟𝜟 ≤ 𝛥𝛥𝜕𝜕

𝑉𝑉𝑒𝑒

Équation 8: Equation permettant de trouver l'intervalle de temps à appliquer au critère C

Après avoir trouvé ∆t (équation 8), il faut vérifier que le critère C soit bien inférieur ou égal à 1. Si ce n’est pas le cas, il faut utiliser un ∆t dans les valeurs proposées par HEC-RAS, arrondi à la valeur inférieure. Pour trouver la valeur de D et de S0 (équation 6), il est recommandé d’utiliser un profil type de la rivière et de relever les éléments détaillés ci-dessous.

Figure 44: Schéma explicatif pour savoir comment obtenir D et S0

Pour obtenir la vitesse moyenne du cours d’eau demandée pour l’équation 8, nous avons considéré l’écoulement comme étant permanent et incompressible et appliqué la formule suivante :

𝑉𝑉 =𝜕𝜕𝑆𝑆

Équation 9: Equation permettant d'obtenir la vitesse moyenne d'écoulement

∆x représente la distance entre les profils. D = Hauteur moyenne des berges (m) S0 = Pente moyenne des berges du cours d’eau (m/m)

Ve = vitesse de l’eau (m/s) V = moyenne de la vitesse d’écoulement (m/s)

∆t = intervalle de temps de calcul (s)

D S0

V = la vitesse en m/s Q = le débit en m3/s S = la section en m2

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La section S se calcule en fonction d’un profil du cours d’eau mais peut être largement simplifiée par une forme basique de type rectangle ou trapèze. Le débit est connu grâce aux hydrogrammes de crue.

Crues Q10 Q30 Q100

Debit max Q m3/s 120 150 240 Section S m² 120 120 120

Equation 2.5

Vitesse à l'emplacement de la section m/s 1.00 1.25 2.00

Equation 2.3

Vitesse d'écoulement Ve m/s 1.50 1.88 3.00 1.5

Equation 2.2

∆x = distance entre profils m 28.95 So en m/m 0.031088083

D en m 6.00 Coefficient 0.15

Equation 2.4

∆t (s) = 19 15 10

Equation 2.1

C = 1 1 1 Tableau 9 : Tableau récapitulatif des calculs effectués pour connaître l'intervalle de temps à rentrer pour chaque crue

Pour que le coefficient C soit bien inférieur ou égal à 1, il faut que l’intervalle de temps soit au maximum de 19 secondes pour la crue décennale, 15 secondes pour la crue trentennale et 10 secondes pour la crue centennale. Grâce à ces indications, il a été possible de réaliser les calculs et d’obtenir l’évolution probable d’une crue au cours du temps.

• Visualisation du résultat Le logiciel HEC-RAS intègre une interface SIG simplifiée dans laquelle il est possible de visualiser en plan les résultats des calculs. Il est possible d'y visualiser :

- les hauteurs d’eau, - les vitesses à la surface de l’eau, - les altitudes en tout point de la surface de l’eau.

Figure 45 : Visualisation des couches proposée par Ras-Mapper, l'interface SIG de HEC-RAS

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Les affichages des couches peuvent être modifiés. L’ensemble peut être exporté en base de données mais cet export n’est pas exploitable, en l'état, pour l’étude.

2.3.2. INTEGRATION SUR LA MAQUETTE

Pour intégrer le résultat de la modélisation hydraulique à la maquette, il fallait pouvoir représenter en trois dimensions les couches de crues et pouvoir les recaler sur le modèle. L’idée générale était d’extraire les contours de la surface d’eau pour chaque date et heure d’avancée de la crue. Chaque contour est ensuite projeté sur le terrain pour apparaitre en trois dimensions et une surface est créée par contour. Cette méthode demande l’utilisation de trois logiciels différents à savoir :

- QGIS pour l’extraction des contours de la couche - MENSURA pour la création des surfaces d’eau - SketchUp pour la superposition des couches obtenues

• Création des contours d’eau

Cette première étape est effectuée de manière automatique grâce à QGIS. Avant l’automatisme, j’ai sélectionné une quinzaine de dates par type de crue (10, 30, 100) représentatives de leur évolution. Puis, sous HEC-RAS dans le module RAS-Mapper, j’ai effectué des captures d’écran de chaque moment de crue défini précédemment. Ces images brutes sont de nettement moins bonne qualité que l’image originale mais suffiront pour l’extraction des contours.

Géoréférencement des images Les images brutes n’étaient pas géoréférencées. Pour remédier à cela, j’ai sélectionné des points sur l’orthophotographie bien répartis sur l’image qui permettent le géoréférencement. La précision du pointé dépend de la taille du pixel, or les images brutes ont une résolution de [1228 x 964 pixels], comparée à l’orthophotographie dont la résolution est de [5711 x 5292 pixels] avec des pixels de 20 cm de côté. Ce qui ramène donc les images brutes avec des pixels d’environ 1 mètre de côté. Ces images ont ensuite été géoréférencées sous QGIS. Nous obtenons au final 15 images géoréférencées représentant l’avancée de la crue au fil du temps.

Détection automatique des contours L’extraction automatique des contours a été découpée en 4 étapes bien définies :

- Etape 1 : Sélection des pixels représentant l’eau sur les images géoréférencées - Etape 2 : Suppression des points isolés pour ne conserver que les éléments principaux

Etape 2.1 : Dilatation Etape 2.2 : Erosion

- Etape 3 : Polygonisation des contours - Etape 4 : Simplification des contours

ETAPE 1 : Cette étape consiste en la sélection des pixels ayant une valeur supérieure à un certain seuil. Sous QGIS, il est possible d’afficher l’image en nuances de gris et de connaître par bande la valeur d’un pixel choisi. De cette manière, il a ensuite été simple d’appliquer un filtre permettant de ne sélectionner que les pixels ayant une valeur supérieure ou égale à la valeur d’un pixel dans une bande précise, processus connu sous le nom de seuillage. Au final, nous obtenons une image raster

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en noir et blanc où seuls les pixels voulus apparaissent en blanc. L’image admet quelques pixels parasites supprimés grâce à l’étape 2. ETAPE 2 : Pour supprimer les points isolés sur l’image résultat de l’étape 1, le premier travail consiste en l’application d’un filtre permettant de ne sélectionner que les zones dans lesquelles un certain nombre de points sont compris en fonction d’un rayon de recherche défini. A la suite de cette étape 2, nous remarquons que les contours de l’eau ne sont pas nets et que certains pixels restent inclus dans la couche d’eau. Pour améliorer les contours, j’ai appliqué des filtres morphologiques de dilatation (étape 2.1) et d’érosion (étape 2.2) à l’image. Le filtre de dilatation aspire les pixels encore isolés et uniformise la valeur de la couche d’eau, et le filtre d’érosion permet de retrouver la bonne dimension du contour d’eau.

(1) (2) (3) (4)

Figure 46 : Résultats (1) étape 1, (2) étape2, (3) étape 2.1 dilatation, (4) étape 2.2 érosion

Avec cette méthode, les contours sont nettement améliorés car moins hachurés. La figure 46 illustre les résultats obtenus. Nous remarquons qu’entre l’étape 2 et l’étape 2.1 les contours sont plus nets et les petits espaces à l’intérieur de la couche ont été supprimés. ETAPE 3 : Une fois que les contours sont nets, ils doivent être vectorisés. Pour cela, il existe un outil sous QGIS (polygoniser) qui permet de vectoriser les images raster en objets vecteurs. A la suite de cette étape, il faut nettoyer les contours qui ne sont pas de l’eau et superposer cette couche vecteur à l’image brute géoréférencée correspondante. De cette manière, il est possible de vérifier que les contours trouvés correspondent à la réalité. ETAPE 4 : Les contours trouvés à l’étape 3 ont beaucoup de sommets. Afin d’en éliminer une partie et d’épurer le tracé, il a fallu simplifier la géométrie grâce à une commande QGIS.

Figure 47 : Résultats des étapes 3 et 4 avant et après simplification de la géométrie

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D’après la figure 47 nous remarquons que la détection automatique des contours n’a pas permis la prise en compte totale de la surface d’eau. Le contour résultant de l’étape 4 peut être décalée d’un certain pas défini pour coller un peu plus à la réalité. Pour l’application de ces étapes et vu la création de fichiers nécessaire, une certaine méthode a due être mise en place. Chaque image brute comporte le nom du jour et l’heure de la simulation. Vient ensuite l’étape réalisée. Cette méthode permet de s’y retrouver si on sait à quoi correspondent les étapes.

L’ensemble permettant de définir les contours de crue automatiquement permet de générer des contours réguliers les uns par rapport aux autres. Cependant, comme le montre la figure 47, nous constatons qu’un travail de nettoyage du contour final reste à réaliser. Importer directement l’image brute géoréférencée sous MENSURA, et tracer manuellement les contours de l’eau peut, en fonction des cas, être plus juste et plus rapide.

Modélisation en 3D des couches d’eau Les contours créés sous QGIS sont ensuite importés sous MENSURA. Il existe un module « Plateforme » sous MENSURA qui permet de créer des surfaces 3D en ayant le contrôle sur l’altitude de chaque sommet de la plateforme créée. L’idée première était d’appliquer le contour sur la surface du terrain automatiquement et de choisir le contour 3D créé pour réaliser la plateforme. Cependant, comme la surface terrain de MENSURA est différente de la surface utilisée pour les calculs sous HEC-RAS, la superposition des couches n’est pas optimale.

La figure 49 permet de visualiser le problème. Les triangles utilisés pour la construction de la couche sont très visibles, ainsi que des « vagues » le long des berges. L’ensemble ne représente pas la réalité avec une surface d’eau plane. La seconde idée est beaucoup plus chronophage mais représente mieux la réalité du terrain.

Sous MENSURA, il est possible de créer une plateforme avec des altitudes constantes et d’appliquer via un tableau, en cochant une à une les cases, l’altitude TN au point concerné. Cependant, à chaque point coché, le logiciel recalcule l’ensemble des pentes de la plateforme. Or, les contours d’eau ont souvent au minimum 300 points. Les performances du logiciel et de l’ordinateur sont donc les facteurs limitant l'efficacité de cette méthode.

Figure 48 : Arborescence finale des fichiers sous QGIS

Figure 49 : Rendu plateforme après application de la polyligne sur la

surface terrain

Figure 50 : Rendu plateforme en utilisant le contour simplifié de la crue

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Cependant, nous remarquons qu’en effectuant cette seconde méthode, la surface est nettement plus lissée et représentative du résultat proposé par HEC-RAS. Sous MENSURA, il n’est pas possible de créer plusieurs plateformes si elles se chevauchent et qu’elles utilisent la même base d’appui. De plus, tous les objets qui ont des altitudes supérieures à la surface créée sont supprimés pour ne laisser que la plateforme qui coupe la matière.

MENSURA ne permettait donc pas de superposer les différentes couches créées sur la maquette directement sous le logiciel, ni de visualiser en transparence le sol sous l’eau. SketchUp permet d’effectuer ce type de rendu.

Intégration des couches d’eau sur la maquette en utilisant SketchUp L’ensemble de la maquette sans plateforme a été exporté au format .DAE31 via MENSURA. Ce format d’export a l’avantage de conserver les textures des objets et permet d’obtenir un fichier final relativement léger et lisible par SketchUp. L’inconvénient est que le modèle ne reste pas géoréférencé mais conserve l’orientation générale du modèle. Lorsqu’on exporte le modèle 3D MENSURA, il s'agit d'un export complet de la maquette. Il est impossible d’exporter uniquement des objets sélectionnés. Seuls les objets externes à MENSURA peuvent être sélectionnables et supprimables mais pas exportables individuellement. La plateforme, qui est directement liée au terrain, ne peut donc pas être exportée seule. Après avoir importé la maquette vierge de crue sous SketchUp, et faute de géoréférencement, il a fallu trouver un moyen d’intégrer à la bonne place les plateformes créées par MENSURA. Après avoir exporté en .DAE l’ensemble du modèle 3D MENSURA contenant la plateforme de crue à un temps donné et réimporter cette maquette résultat sous SketchUp, il a fallu supprimer les éléments en doublon avec la maquette de base. Tout en ne conservant qu’un objet en commun permettant de recaler la couche de crue sur la maquette de base (un bâtiment par exemple). La maquette initiale a été enregistrée en .DAE ainsi que les différentes couches de crues séparément. L’ensemble a ensuite été recalé à l’aide d’un bâtiment conservé en commun entre toutes les couches sur la maquette initiale et enregistré au format .SKP. Cette méthode a permis d’obtenir un fichier final d’un poids d’environ 600 mégas par type de crue (10, 30, 100) contre 2 gigas si les différentes couches avaient été enregistrées en .SKP et réimportées sur la maquette de base.

31 Appelé aussi fichier COLLADA

Figure 51 : Représentation d'un emplacement où la matière a été coupée par une plateforme sous MENSURA

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Figure 52 : Maquette obtenue sous SketchUp comprenant les différentes plateformes

3. RECAPITULATIF DE LA METHODE EMPLOYEE

3.1. CHOIX DEFINITIF DE LA METHODE Cette partie récapitule les choix définitifs effectués pour la construction de la maquette tridimensionnelle.

3.1.1. ACQUISITION

L’acquisition s’est faite en 5 heures de temps. Pendant que deux équipes effectuaient les profils de la rivière avec deux GNSS différentiels connectés au réseau orphéon, le télépilote réalisait les vols. Quatre vols ont été accomplis, à savoir : trois vols longitudinaux avec un recouvrement entre les photos de 70%, et un vol transversal avec un recouvrement de 90% entre les photos. Sept cibles ont été réparties sur l’ensemble de la zone à relever afin de permettre le géoréférencement du modèle et ont été levées en RGF93 CC45. L’ensemble représentait 674 photographies et 402 points au sol.

3.1.2. TRAITEMENT

• Traitement photogrammétrique Le traitement photogrammétrique a été réalisé à l’aide du logiciel PIX4D. Le nuage densifié final obtenu comprend 47 392 824 points répartis sur 32 hectares de relevé. Cela correspond à un point au sol tous les 3 centimètres. Les écarts types sur les coordonnées des points sont de l’ordre de 4.4 millimètres en X, de 7.6 millimètres en Y, et de 2.7 millimètres en Z. PIX4D fonctionne par étapes et a permis d’obtenir : un nuage de points densifié, une orthophotographie, et un MNS raster en 5h30min de calculs pour un ordinateur de 16Go de RAM avec une carte graphique de type GeForce GTX 760Ti OEM.

• Réalisation de la maquette

Après différents essais, la maquette servant de base pour supporter les résultats de la modélisation d’une inondation issue d’un logiciel d’hydraulique, sera réalisée sous MENSURA GENIUS. Différentes étapes ont permis d’arriver au résultat final, à savoir :

Calques des différentes

couches de crues intégrées à la

maquette

Bâtiment ayant servi au recalage des plateformes

d’eau

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L’ensemble de ces étapes ont permis d’obtenir une maquette propre ayant des bâtiments simplifiés. Des petits habillages supplémentaires ont été ajoutés tels que des arbres et des voitures afin de rendre la maquette encore plus réaliste.

• Modélisation d’une inondation en 2D Le choix du logiciel HEC-RAS a été réalisé pour effectuer une modélisation hydraulique en deux dimensions. Celle-ci requiert un MNS raster de la zone et un hydrogramme de crue, comme paramètres en entrée. Le pont qui était inclus sur le MNS raster a été enlevé via PIX4D afin d’obtenir une base de calcul plus simple sous HEC-RAS. L’ensemble des fichiers d’entrée permettant de faire fonctionner les calculs a été paramétré pour les crues décennales, trentennales et centennales. Afin d’obtenir une modélisation 2D sans à-coups, les hydrogrammes de crue donnés via l’étude du CIDEE, ont été entrés en miroir avec des débits croissants et décroissants. Les valeurs de débit utilisées pour les calculs sont la somme de L1 et R1 qui sont respectivement le débit du Lavezon à la confluence avec le Rieutord et le débit du Rieutord à la confluence avec le Lavezon. Le pas de temps utilisé pour les calculs permet d’obtenir un modèle stable. Il a été calculé avec soin afin d’obtenir des résultats cohérents. A la fin de ces calculs, nous obtenons trois dossiers pour les crues décennale, trentennale et centennale. RAS-Mapper, un module SIG de HEC-RAS permet de visualiser en deux dimensions

Création d’un MNTUtilisation du Plugin CSF sous CloudCompare

Rééchantillonnage du nuage obtenu avec un pas de 2 mètres sous CloudCompare

Nettoyage du MNT sous MENSURA

Elimination manuelle des triangles aberrants

Ajout de lignes de ruptures

Modélisation des bâtiments

Détourage des bâtiments sur l’orthophotographie sous MENSURA

Détermination des hauteurs des bâtiments grâce à une différence d’altitude trouvée sous PIX4D

Création des bâtiments avec l’outil « modeleur de bâtiment » sous MENSURA

Texturage des bâtiments sous MENSURA avec la définition d’une palette de texture

Intégration du pont de la RN86

Dessins des lignes caractéristiques du pont sous PIX4D

Modélisation en 3D du pont sous AutoCAD (version étudiante)

Texturage du pont sous SketchUp

Import du pont en tant qu’objet 3D sur la maquette MENSURA

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l’avancée de l’eau en fonction du temps. Les vitesses, les profondeurs d’eau et l’altitude de la surface de l’eau sont des données accessibles grâce à RAS-Mapper.

• Intégration du résultat de la modélisation 2D d’inondation sur la maquette 3D

A la fin de ces précédentes étapes, nous avons à notre disposition une maquette 3D de la zone et la modélisation 2D des crues décennale, trentennale et centennale. Il ne restait plus qu’à trouver un moyen permettant de combiner les deux. Pour cela, la solution retenue a été d’effectuer des captures d’écrans des hauteurs d’eau de certaines dates minutieusement choisies et d’extraire le contour de l’eau automatiquement grâce à QGIS. Ces contours ont ensuite été intégrés en 3D à la maquette MENSURA puis, via l’outil « plateforme » du logiciel, une surface 3D par contour a été modélisée. La maquette a été exportée sous SketchUp et les différentes couches de crues ont été recalées sur la maquette grâce à un élément commun, à savoir un bâtiment. L’ensemble de ces données a été traité en .DAE afin d’obtenir un modèle plus léger et donc plus manipulable.

3.2. SOLUTION VISUELLE PROPOSEE Grâce à ce travail, c’est donc une maquette 3D intégrant une modélisation hydraulique 2D que nous obtenons. Ce modèle doit maintenant être exploité et répondre aux objectifs de ce PFE à savoir, donner aux élus un moyen visuel d’appréhender les risques liés aux inondations dans leur commune. Afin de vérifier que l’aspect visuel sur la maquette correspond au résultat HEC-RAS, il est important de comparer les résultats obtenus.

Figure 53: Comparaison modélisation 2D HEC-RAS (à gauche) et intégration sur la maquette 3D (à droite)

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A l’aide de la figure 53, nous pouvons constater que la couche d’eau créée en trois dimensions correspond à ce que HEC-RAS offre comme modélisation. La hauteur d’eau également.

3.2.1. RENDUS ETUDIES

L’idée première était de fournir aux élus une maquette 3D disponible sur internet dans laquelle ils pourraient évoluer via des outils simples et comprenant un curseur temporel faisant défiler les couches d’eau à différentes dates. Cette idée a vite été abandonnée car le poids de la maquette ainsi que son extension, limite rapidement l’import sur internet via des viewers ou serveurs gratuits. Les logiciels à ma disposition ne me permettaient pas de créer un curseur temporel non plus. La seconde option proposée a été la création de vidéos permettant de visualiser l’avancée des inondations (10, 30, 100) en trois dimensions. Afin de compléter la vidéo, un rapport est aussi rédigé ainsi que quelques annexes au format A3. Annexe 4 : Rendus effectués pour la mairie de MEYSSE

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CCCHHHAAAPPPIIITTTRRREEE IIIIIIIII

DDDIIISSSCCCUUUSSSSSSIIIOOONNN DDDEEESSS RRREEESSSUUULLLTTTAAATTTSSS OOOBBBTTTEEENNNUUUSSS

Anton Alexander von Werner, Kriegstrat in Versailles, vers 1880

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1. EVALUATION GLOBALE DE LA METHODOLOGIE La méthodologie employée décrite dans le chapitre précédent doit être soumise à analyse. Son utilité ainsi que son efficacité seront débattues dans le présent chapitre.

1.1. UTILITE & USABILITE DU RESULTAT OBTENU A l'issue de la création de la maquette numérique, différentes options ont été retenues pour présenter le résultat de la modélisation aux différentes parties. Ces solutions sont les suivantes :

- Une vidéo par crue (10, 30, 100) qui permettra une représentation visuelle 3D de l’évolution de la crue au fil du temps.

- Un rapport présentant les résultats obtenus et soulignant les points particuliers et importants.

- Des annexes au format A3 qui représentent les emprises maximales des crues et l’avancée

de chaque type de crue sur 6 heures au plus fort de celle-ci.

La vidéo est un outil de communication déjà bien utilisé pour prévenir le risque. Je pense principalement aux vidéos simulant les accidents et préconisant les bons gestes à avoir. Dans cette même logique, effectuer une vidéo de la montée des eaux peut sensibiliser plus de personnes aux risques liés à l’inondation simulée. Cependant, les personnes peuvent avoir du mal à se repérer dans la vidéo. La passer plusieurs fois et effectuer des pauses sera donc certainement nécessaire. Le fait que certaines façades de bâtiments soient présentes est une aide supplémentaire au repérage. La vidéo est un bon support visuel mais seul, il n’offre aucune explication sur la méthode mise en œuvre et ne fournit pas d’interprétation des résultats obtenus. Le rapport présente de manière simplifiée les résultats issus du logiciel HEC-RAS et les associe à la visualisation de la vidéo. Une vue 2D sur laquelle les points d’impacts importants sont considérés est associée à une vue 3D de ces points, ce qui permet encore une fois, une meilleure perception du risque lié aux inondations. La représentation des vitesses d’écoulement de l’eau permet de localiser les points où la vitesse est importante et donc d’analyser l’impact de ces vitesses aux endroits concernés. Pour compléter ce rapport, des représentations au format A3 ont été créées. L'une représente l’emprise maximum de la crue (pour chaque type de crue) ainsi que les hauteurs d’eau de celle-ci avec différents points de vue repérés sur la carte et représentés par des captures d’écran en 3D de la maquette. Cette représentation 2D plus habituelle pour les élus et les services facilite la compréhension du site et complète l'information apportée par la vidéo de présentation. La seconde annexe permet une représentation des différents types de crues sur une unique présentation répartie sur 6 heures. Elle permet de comparer les évolutions des crues décennales, trentennales et centennales entre elles, ce qui facilite l’analyse des emplacements les plus touchés par les différentes crues et l'évolution d'un même site à différentes périodes durant la crue. Dans l’ensemble, les rendus proposés sont conçus pour permettre une bonne compréhension du site qui est censé être connu des personnes utilisatrices de ces documents. Effectuer un sondage auprès de la mairie permettrait de connaître leur opinion sur les rendus proposés.

1.2. ASPECT ECONOMIQUE Pour arriver à ces résultats, il a fallu passer par de nombreux logiciels différents. PIX4D, MENSURA, QGIS, SketchUp, CloudCompare, AutoCAD, HEC-RAS sont autant de logiciels utilisés pour l’obtention d’une maquette représentant une crue. Certains logiciels permettent d’arriver à un résultat similaire plus rapidement et en passant par moins d’intermédiaires. La suite de logiciels ESRI ArcGis ont une extension « flooding » capable de représenter en trois dimensions une inondation.

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1.2.1. TEMPS PASSE A LA REALISATION

Plusieurs étapes peuvent être quantifiées en temps de réalisation, à savoir :

• Traitement photogrammétrique

Tâche réalisée Temps passé

Calculs initiaux et création d’une orthophotographie, d’un nuage densifié, d’un

MNS raster 5 heures PI32

Tableau 10 : Récapitulatif des tâches effectuées pour le traitement photogrammétrique

• Réalisation de la maquette

Tâche réalisée Temps passé

Création du MNT Segmentation sol et sur-sol : 0.056 heures CC 33

Rééchantillonnage : 0.016 heures CC Triangulation : instantanée ME34

Nettoyage du MNT 38.5 heures ME

Modélisation des bâtiments

Détourage des bâtiments : 4 heures ME Création du fichier de hauteur : 21 heures EX 35

Modélisation des bâtiments : 7 heures ME Texturage : 28 heures ME

Modélisation du pont Modélisation : 6 heures AU36 Texturage : 1 heure SK 37

TOTAL 105.6 heures (15 jours de 7 heures)

Tableau 11 : Récapitulatif des tâches effectuées pour la réalisation de la maquette

• Modélisation d’une inondation en 2D

Tâche réalisée Temps passé

Temps de traitement Crues (10, 30, 100) Crue 10 : 1.0044 heures HE38 Crue30 : 1,0061 heures HE

Crue 100 : 1,0072 heures HE

Modélisation des couches d’eau Détourage automatique des couches : 21 heures

QG39 Modélisation des surfaces : 112 heures ME

TOTAL 136.0 heures (20 jours de 7 heures)

Tableau 12: Récapitulatif des tâches effectuées pour la modélisation d’une inondation en deux dimensions

32 PI = PIX4D 33 CC = CloudCompare 34 ME = MENSURA 35 EX =EXCEL 36 AU =Autocad 37 SK =SketchUp 38 HE =HEC-RAS 39 QG =QGIS

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• Intégration du résultat de la modélisation 2D d’inondation sur la maquette 3D

Tâche réalisée Temps passé

Nettoyage des plateformes sous SketchUp 7 heures SK

Intégration des couches sur la maquette 7 heures SK

Réalisation des vidéos 14 heures SK

Réalisation du rapport et des annexes 7 heures WO

TOTAL 35 heures (5 jours de 7 heures)

Tableau 13 : Récapitulatif des tâches effectuées pour l’intégration du résultat de la modélisation hydraulique sur la maquette 3D

L’ensemble de la méthode en l’état peut donc être réalisée en au moins 40 jours, soit : 1 mois et demi.

1.2.2. PRODUCTIVITE DE LA METHODE EMPLOYEE

Figure 54 : Graphiques représentatifs du travail à effectuer pour la réalisation des différentes tâches.

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Grâce à la figure 54, nous pouvons visualiser les tâches qui prennent le plus de temps. Dans l’ensemble, c’est la modélisation d’une inondation qui prend la moitié du temps de travail. Les tâches particulières qui sont les plus longues à réaliser sont la modélisation des bâtiments et des couches d’eau. Ces deux tâches s’effectuent sous MENSURA. Ces temps sont longs car pour la maquette test, il a été décidé de pousser les exigences de détail au maximum des possibilités. Pour alléger le temps de réalisation de ces tâches, et principalement de la modélisation des bâtiments, il est possible sous MENUSRA de créer une ville ayant des hauteurs aléatoires en fonction des contours des bâtiments sélectionnés simultanément. Le temps de réalisation passerait donc de 60 heures de travail à 5 heures si le texturage était lui aussi abandonné. Avec une palette de texture moins importante, celle-ci devrait être réalisée en une journée soit 7 heures supplémentaires, ce qui passerait la création des bâtiments à 12 heures de travail contre 60 heures au début. La partie modélisation des couches d’eau est aussi effectuée sous MENSURA. Cependant, l’accélération de cette étape semble compliquée à moins d’appliquer directement le contour des crues sur la surface terrain. (Cf Ch I, p.29) Cependant, lors de cette opération, le nombre de points sur contour est quadruplé ce qui ne facilite pas les reprises si elles s’avèrent nécessaires. Le nombre de triangles est très important ce qui peut entraîner une surcharge non nécessaire de la maquette finale. Cependant, le temps de traitement est ainsi largement diminué et passe de 112 heures pour la modélisation de 45 couches d’eau (environ 2.5 couches par jour) à 45 heures40 (soit 1 couche par heure) pour la totalité des couches modélisées. L'accélération de ces tâches permettrait de passer de 1.5 mois de réalisation à 25 jours. Pour réduire encore ce temps de traitement, il est aussi possible d’effectuer certaines tâches de manière simultanée. Si cependant, on souhaite obtenir le même résultat que dans ce présent rapport, il faudra utiliser un ordinateur ayant des capacités de calcul plus importantes, ce qui diminuera automatiquement le temps de réalisation des tâches.

1.2.3. COUT DE LA PRODUCTION D’UNE ETUDE EQUIVALENTE

Compte tenu du fait que la réalisation des différentes tâches s’effectue sur une période minimum de 25 jours ouvrés et compte tenu du coût horaire moyen d’un technicien qui est d’environ 50 euros brut de l’heure, le coût de la réalisation d’une telle étude serait d’environ 8750 euros pour l’entreprise en charge de personnel. Ce prix ne tient pas compte des frais de déplacement engendrés par le télépilote et les équipes GNSS lors de l’acquisition des données, ni des coûts des ordinateurs et des logiciels, ni des frais généraux de l'entreprise. Seul le traitement au bureau est pris en compte. Au final, pour que l’opération soit rentable pour l’entreprise, il faudrait au moins doubler le prix de vente de la prestation.

1.3. PROTOCOLE REUTILISABLE SUR D’AUTRES CAS ? Le protocole proposé à l’entreprise TECHNIDRONE peut être réutilisé sur d’autres cas mais aura besoin d’être adapté à chaque mission. Cependant, la succession des tâches reste fastidieuse et peut être améliorée. L’achat de logiciels tels que ArcGis et CityEngine faciliterait l’optimisation du temps de traitement et des rendus. Il faudrait pouvoir effectuer une étude comparative sur ces logiciels en condition réelle. L’apprentissage du logiciel HEC-RAS peut aussi prendre du temps pour une personne ne connaissant pas les thématiques hydrauliques.

40 C’est une estimation, le temps de réalisation peut toutefois être plus important.

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2. QUALITE DE LA MAQUETTE ET DE LA MODELISATION HYDRAULIQUE

2.1. MAQUETTE TRIDIMENSIONNELLE La précision de la maquette dépend de la précision de différents paramètres, qui sont :

- La précision du nuage de points - La précision d'identification des contours des bâtiments

2.1.1. PRECISION DU NUAGE DE POINTS

• Précision générale du nuage Le nuage de point a été relevé de manière à obtenir un pixel au sol d’environ 3 centimètres de côté. Les pixels de l’appareil photo ne sont pas carrés à 1 micron près, nous considérerons donc que le pixel image a une taille de 0.01 mm. On sait que la hauteur de vol varie entre 70 et 80 mètres. Donc, la taille des pixels au sol varie aussi. De plus, la focal s’ajuste en fonction de la hauteur de vol et varie entre 21 et 24 millimètres

P = p x D / c Taille pixel image (mm) Ecart à la moyenne (mm) 0.01 x 70000/ 21 33.33 0.15 0.01 x 70000/24 29.17 4.32 0.01 x 80000/21 38.10 -4.61 0.01 x 80000/24 33.33 0.15

Moyenne arithmétique 33.48 Ecart-type (mm) 3.65

Tableau 14: Précision théorique du pixel au sol

Avec 𝜎𝜎 = �∑(𝜕𝜕−𝜕𝜕 ̅)2

𝑛𝑛−1

Équation 10: Formule générale de l'écart type

L’écart type où x représente la valeur du pixel, �̅�𝜕 la moyenne des valeurs et n le nombre d’observations.

Les points sont donc censés être 3.35cm +/- 3.7 mm, soit entre 3.72 cm et 2.98 cm. A posteriori, le logiciel annonce une taille de pixel au sol moyenne de 3.98 cm, soit légèrement supérieure. C’est probable car certaines données telles que le vent, la trajectoire du drone… entraînent des incertitudes supplémentaires non prises en compte dans les calculs a priori.

2.1.2. PRECISION DES BATIMENTS

• Rebord des toits Pour cette opération, ce sont les toits qui ont été détourés sur l’orthophotographie. Les toits ont des rebords et ne correspondent pas forcément à l’emprise au sol des bâtiments. Une erreur de +- 20 centimètres peut être estimée sur les détourages des toits. Ce sont 418 toits qui ont été digitalisés. Ces toits sont tout de même bien superposés à l’orthophotographie et correspondent à la réalité mais qu’en est-t-il du cadastre local ?

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• Comparaison entre le cadastre local et les détourages des bâtiments

Figure 55: Détourage de bâtiments et emplacement des bâtiments cadastraux

Afin de vérifier le postulat que le cadastre local manque de précision, j’ai détouré sous Geoportail les emprises d’une vingtaine de bâtiments cadastraux (en blanc sur la figure 55) répartis uniformément sur la zone d’étude. Puis, j’ai mesuré les distances aux angles des bâtiments entre les emprises cadastrales et les emprises détourée sur l’orthophotographie. 88 mesures ont ainsi pu être effectuées ce qui permet d’avoir un échantillon des écarts représentatif de la réalité. A la suite des calculs, l’écart moyen en distance entre les emprises des bâtiments est de 1.70 +/- 1.09 m en utilisant l’équation 10. Les écarts varient donc entre 2.79 et 0.61 mètres ce qui est considérable. Le détourage des toits est donc, malgré son imprécision relative, plus fiable que la base de données cadastrale. De plus, les emprises cadastrales des bâtiments peuvent ne pas avoir la même hauteur de toit sur l’ensemble de la parcelle. Ces contours ne sont donc pas très utiles pour la construction des bâtiments avec une hauteur réelle sur la maquette.

• Précision de la hauteur des bâtiments Lorsque les bâtiments n’avaient qu’un seul pan de toit incliné, ils ont été représentés par des toits plats en prenant l’altitude à mi-pente comme altitude maximum du toit. Ce point a été choisi de manière approximative, entraînant des erreurs. La pente moyenne des toits à un pan est de 27% sur un échantillon de maquette. En comparant les écarts trouvés entre l’altitude du milieu du pan calculée via la pente moyenne, et l’altitude sélectionnée manuellement sur le nuage on obtient un écart moyen de 20 centimètres à plus ou moins 25 centimètres près.

2.2. MODELE HYDRAULIQUE La précision de la modélisation hydraulique dépend de la précision de différents paramètres qui sont :

- La précision du MNS raster - La précision des paramètres en entrée

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2.2.1. PRECISION DU MNS RASTER

Le MNS raster généré par PIX4D crée des mailles de dimensions : la distance entre les points fois un facteur multiplicatif. Soit ici, des tailles de cellules de 3.98 cm x 1. La grille est donc très serrée. Le logiciel HEC-RAS peut utiliser un MNS aussi précis mais celui-ci ralentira les calculs et ne permettra pas forcément d’obtenir un résultat plus juste. C’est pour cette raison que le MNS raster a été simplifié à une taille de cellule de 50 centimètres. Ce sont donc environ 12 pixels précédents qui ont été fusionnés en un pixel de 50 centimètres de côté. Pour le logiciel, plus la taille des mailles est petite, plus la précision des calculs sera importante. Cependant, les modèles d’inondation de crue se font souvent sur des surfaces plus étendues que les 32 hectares de la zone d’étude. Les tailles des mailles sont d’autant plus importantes que la zone l’est, avec, pour les plus précises, des tailles de cellules entre un et deux mètres. En créant un MNS raster d’une taille de cellule de 50 cm de côté, nous sommes donc précis compte tenu de ce qu’il se fait habituellement pour les modélisations hydrauliques. Lors de la création du fichier de géométrie, des cellules sont créées sur le MNS raster qui correspondent au maillage du terrain. Celles-ci ont été choisies avec une taille de cellule de 2 mètres. Autrement, les calculs n’aboutissaient pas. Les cellules sont créées de manière à obtenir une taille de cellule moyenne de 2 mètres. Par exemple, pour le terrain de l’étude, ce sont 294 025 cellules avec une taille de cellule maximum de 4.27 m², minimum de 0.70 m² et moyenne de 2.24 m².

2.2.1. PRECISION DES PARAMETRES EN ENTREE

Le paramètre qui joue un rôle important dans la réussite des calculs est principalement l’intervalle de temps de calcul. Si celui-ci n’est pas correct, la simulation ne sera pas stable ce qui entraînera une discontinuité de l’écoulement. Le logiciel ne permet pas d'entrer une valeur d'intervalle exacte mais en propose une liste. Les valeurs des intervalles de temps varient de une minute en une minute jusqu'a vingt puis sont incrémentées toutes les 5 minutes. En utilisant les formules (§2.3.1 p.49) et en essayant de respecter les critères énoncés nous trouvons des valeurs que nous arrondissons à la valeur supérieure ou inférieure. En effectuant différentes simulations faisant varier l'intervalle de temps à la valeur supérieure ou inférieure trouvée aucun changement n'a été noté tant que les critères sont respectés, le modèle est stable.

2.3. CONCLUSION Pour conclure, l’emplacement et la hauteur des bâtiments sont corrects à +/- 32 centimètres près. Le géoréférencement du nuage de points est correct en XYZ à environ 1 centimètre près. Il faut penser que la visualisation de la maquette n’est pas géoréférencée par la suite. Le maillage effectué sur le MNS raster sous HEC-RAS crée des tailles de cellules de 2.24 +/- 2.55 m². L'intervalle de temps doit respecter les critères énoncés précédemment pour l'obtention d'un modèle hydraulique stable. Tous ces paramètres influent sur la précision de la hauteur d'eau mais ne permettent pas de donner une précision de celle-ci.

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......... CCCOOONNNCCCLLLUUUSSSIIIOOONNN &&& PPPEEERRRSSSPPPEEECCCTTTIIIVVVEEESSS

Robert GONSALVES, The sun sets sail, XXème siècle

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1. CONCLUSION Ce projet de fin d’études intitulé Apport d’une solution visuelle 3D de la montée des eaux en période de crue au sein de l’entreprise TECHNIDRONE avait pour objectif principal de fournir aux élus un moyen efficace et simple d’appréhender l’information liée à une potentielle inondation dans leur commune. Pour répondre à cet objectif, j'ai débuté mon travail par un état de l’art. Il a permis de définir ce qu'est une inondation et d'expliciter son fonctionnement. Nous avons pu constater que deux méthodes existent pour la modélisation d’une inondation : l’hydrogéomorphologie, par analyse du terrain et l’étude hydraulique, plus mathématique. Par une analyse de la situation locale de l’Ardèche nous avons pu conclure que le département, et plus particulièrement la vallée du Rhône, faisaient face à un risque de crue important. Le drone permet d’effectuer des relevés par photogrammétrie aérienne. Cette activité constitue actuellement le cœur de métier de l'entreprise TECHNIDRONE. Les photographies prises lors de ces interventions sont traitées via le logiciel suisse PIX4D. L’analyse des différentes solutions logicielles courantes de modélisation m’a permis de comprendre que ces derniers fonctionnaient par la résolution des équations de Barré-Saint-Venant pour la création de modélisations hydrauliques. Des travaux récents ont montré qu’il est possible et optimal de représenter un niveau d’eau en trois dimensions en se basant sur une maquette réaliste du terrain. La génération de cette maquette peut être effectuée avec différents logiciels. Une étude des différentes solutions, aussi bien pour la modélisation tridimensionnelle des lieux que pour la modélisation hydraulique a également été réalisée. Cet état de l’art a donc permis de définir les concepts généraux relatifs à l’hydrologie, de rappeler les principes de fonctionnement du drone et des traitements associés. Enfin par l’étude de ces modélisations 3D il a permis de déterminer les méthodes à employer pour la suite des travaux. Il s’agit de créer une maquette tridimensionnelle réaliste des lieux avec le logiciel MENSURA, sur laquelle on intègrera une modélisation hydraulique réalisée à l’aide du logiciel HEC-RAS. Le deuxième chapitre de ce mémoire a consisté en la mise en place d’une méthode de travail optimale pour la réalisation de la maquette en intégrant toutes les contraintes imposées par le fonctionnement de l’entreprise. La première étape a été de sélectionner un site d’étude approprié. Après avoir effectué une recherche sur les cours d’eau proches du bureau principal de BAIX, nous avons choisi d'étudier la rivière du Lavezon. Cette rivière a fait l’objet d’une étude en 2008 effectuée par le CIDEE (nom du bureau chargé de l'étude) afin d’évaluer les risques potentiels d’inondations sur la commune de MEYSSE. Cette étude a servi de base à la suite des travaux. Il est en effet nécessaire d’associer des spécialistes de l’hydrologie à notre travail de modélisation, afin d’obtenir des résultats convenables. Le relevé photogrammétrique a été planifié et organisé de manière à relever 32 hectares de surface potentiellement inondable. Un relevé bathymétrique réalisé à l’aide d’antennes GNSS Leica a permis de compléter le levé aérien. L’ensemble a ensuite été traité sous PIX4D et le nuage de points a été exporté afin d’être traité. Certains tests ont été réalisés ce qui a permis de mettre en place une méthodologie pour la création de la maquette, de la modélisation hydraulique et de l’assemblage des deux. La maquette a été réalisée sous MENSURA en suivant les différentes étapes que sont la création d’un MNT, la création de bâtiments simplifiés représentatifs de la réalité et l’intégration d’un ouvrage d’art, ici le pont de la RN86. Pour des raisons d'optimisation et d'amélioration des rendus, ce sont des modélisations hydrauliques en deux dimensions qui ont été créés. Celles-ci utilisent le MNS raster du terrain réalisé par PIX4D et des hydrogrammes de crues comme condition amont. Les résultats obtenus sont trois modélisations représentant les crues décennale, trentennale et centennale dont l’évolution est visible par la création automatique d’une animation via le module SIG nommé RAS-MAPPER du logiciel. Une fois ces résultats acquis, il a fallu intégrer les résultats des modélisations hydrauliques représentés en deux dimensions sur la maquette tridimensionnelle. Pour cela, des dates représentatives des simulations ont été conservées et les contours d’eau associés extraits. Ces contours ont servi à la création de surfaces 3D sous MENSURA via son module PLATEFORME. Pour des raisons

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pratiques, ces couches ainsi que la maquette, ont été assemblées sous SketchUp. Afin de répondre aux objectifs de ce projet de fin d’études, il a fallu réfléchir aux différents types de livrables qu'il est possible de fournir aux clients que sont les collectivités. Après une réflexion sur les différentes possibilités existantes, il a été décidé de fournir une vidéo représentant l’avancée de la crue, un rapport explicatif des résultats, ainsi que des visuels annexes importants pour une compréhension totale de l’ensemble. Ces rendus offrent un résultat visuel convaincant qui permet une analyse facile des résultats. La dernière partie de ce mémoire analysera de manière critique les résultats obtenus au court de ce second chapitre. Il en ressort les éléments suivants : l’ensemble de l’étude, sans les tests réalisés, du levé aux livrables, aura pris 1 mois et demi de travail. Cette durée de traitement est importante et peut être réduite en diminuant certaines tâches telles que le nettoyage du MNT et la modélisation des couches d’eau. Ces différentes optimisations permettraient de réduire le temps de traitement à 25 jours, soit un mois. Un protocole a été réalisé afin de permettre aux techniciens de réaliser une étude similaire. Cependant, la succession de tâches à effectuer reste importante et la prise en main du logiciel de modélisation hydraulique HEC-RAS n’est pas intuitive sans connaissances préalables. Une étude de la modélisation permettant de quantifier et de qualifier la maquette et le modèle hydraulique a été entreprise. Pour la maquette, ce sera la précision du nuage de points et la précision de l’implantation et de la hauteur des bâtiments qui seront prises en compte. Les contours des bâtiments ont été détourés avec une précision estimés à 20 centimètres. Les pans de toits uniques ont été modélisés en prenant un point moyen de la toiture. Cette valeur a été calculée mais aussi directement relevée sur le nuage de points et les écarts moyens trouvés sont de l'ordre de 20 centimètres +/- 25 centimètres. La précision du modèle hydraulique dépend de la précision du MNS raster utilisé pour les calculs. Les tailles de cellules de celui-ci sont en moyenne de 2.24 +/- 2.55 m². le paramètre d'intervalle de temps qui sert à l'obtention d'un modèle stable doit correspondre au critère C. Une plage d'erreur sur l'intervalle de temps est difficilement paramétrable. L'ensemble apporte des précisions sur certains paramètres utilisés pour la création de la modélisation finale mais ne permet pas d'indiquer à quel intervalle de certitude les hauteurs d'eau sont obtenues. Cette analyse de résultats permet de valider le protocole mis en place. Les modèles obtenus sont de qualité suffisante pour permettre aux collectivités, par l'analyse des rendus, de prendre les décisions qui s'imposent afin de limiter les conséquences des crues.

2. PERSPECTIVES L’objectif visant à fournir aux élus une solution visuelle de la montée des eaux en période de crue est atteint. Le processus est abouti et peut-être réitéré sur d’autres cas grâce au protocole détaillé créé pour TECHNIDRONE. On notera cependant que la succession des tâches à réaliser est relativement importante et que les temps de travaux liés sont assez conséquents. Afin d’optimiser les temps de réalisation de la maquette différentes possibilités peuvent être envisagées. La plus intuitive serait l’achat de logiciels permettant la création de maquettes plus rapidement. La suite de logiciels ESRI permet, en plus de l’aspect rapide, de rester dans un espace SIG qui faciliterait les types de livrables possibles. Cependant cette solution dérogerait quelque peu aux exigences de l’entreprise. La possibilité de développer des méthodes automatisant les enchainements des étapes serait également un point qu’il serait possible d’optimiser. Ces perspectives permettraient à l’entreprise d’améliorer sa productivité dans ce nouveau domaine et ainsi de développer cette nouvelle activité de manière efficace.

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IIILLLLLLUUUSSSTTTRRRAAATTTIIIOOONNNSSS 1. TABLE DES FIGURES

FIGURE 1: POINTAGE DU COEFFICIENT DE SPEARMAN POUR LE CUMUL ANNUEL DE PRECIPITATION (1901/2000) MOISSELIN ET AL. (2002) ................................................................................................................................................11

FIGURE 2: REPERE DE CRUE WWW.DRIEE.ILE-DE-FRANCE.DEVELOPPEMENT-DURABLE.GOUV.FR ........................................13 FIGURE 3:COURS D'EAU EN SITUATION ORDINAIRE ET EN SITUATION D'INONDATION (SAFEGE INGENIEURS CONSEILS

2013) ................................................................................................................................................................................14 FIGURE 4: DEFINITION SCHEMATIQUE D'UN BASSIN VERSANT (OBV DU FLEUVE SAINT-JEAN) ............................................14 FIGURE 5: EXEMPLE DE MODELISATION DE LA VITESSE EN 2D (THE RAS SOLUTION)..........................................................16 FIGURE 7: LES RISQUES MAJEURS D'INONDATION EN ARDECHE (PREFECTURE DE L’ARDECHE 2005) ..................................17 FIGURE 8: NAPLEON III RENDANT VISITE AUX SINISTRES DES INONDATIONS DE LYON, HIPPOLYTE LAZERGUES, 1856 .....18 FIGURE 9: IMAGE EXTRAITE DE LA PRESENTATION CTCRM DE F.JACQUINOT ET A.BERTRAND - CRENAM UNIVERSITE

DE SAINT-ETIENNE ..........................................................................................................................................................18 FIGURE 10: DRONE QUADRICOPTERE PHANTOM 3 PRO (SITE DJI) ..........................................................................................20 FIGURE 11: AILE VOLANTE SENSEFLY EBEE (ANGELEYES) .....................................................................................................20 FIGURE 12 : LOGICIELS DISPONIBLES POUR LE TRAITEMENT PHOTOGRAMMETRIQUE [PFE T.DUDKA, 2015] ...................21 FIGURE 13: MODELE URBAIN DE LA ZONE AUTOUR DU CHATEAU OGAKI (SUGIHARA AND HAYASHI, 2004).......................26 FIGURE 14 : PLAN DE SITUATION DE MEYSSE [GOOGLEMAP 2017, GEOPORTAIL 2017] .......................................................29 FIGURE 15: CARTE DE SITUATION DU LAVEZON (GOOGLE MAP)............................................................................................30 FIGURE 17: HYDROGRAMME DU LAVEZON CRUE DECENNALE................................................................................................32 FIGURE 18: HYDROGRAMME DU LAVEZON CRUE CENTENNA LE..............................................................................................32 FIGURE 16:HYDROGRAMME DU LAVEZON CRUE TRENTENNALE ............................................................................................32 FIGURE 19: PLAN DE SITUATION DES OUVRAGES PRESENTANT LES ENJEUX LES PLUS FORTS [GOOGLEMAP,2017] .............33 FIGURE 20 : ZONE DE SURVOL PREVUE .....................................................................................................................................33 FIGURE 21: EXTRAIT DE LA CARTE OACI-VFR .......................................................................................................................34 FIGURE 22: SCHEMA SIMPLIFICATEUR DU FONCTIONNEMENT D'UN APPAREIL .......................................................................35 FIGURE 23: PLAN DE VOL, EMPLACEMENT DES PHOTOS ET DES CIBLES ..................................................................................36 FIGURE 24: VISUALISATION DES PROFILS REALISES.................................................................................................................36 FIGURE 25 : RESULTAT DE L'ETAPE 1 SOUSPIX4D, RECHERCHE DES POINTS HOMOLOGUES .................................................37 FIGURE 26: RESULTAT DE L'ETAPE 2 SOUS PIX4D, DENSIFICATION DU NUAGE DE POINT .....................................................38 FIGURE 27: NUAGE DE POINT DENSIFIE PIX4D, POINTS ABERRANTS ......................................................................................38 FIGURE 28: EXEMPLES DE MAILLAGES SOUS PIX4D ...............................................................................................................38 FIGURE 29: ELLIPSES D'INCERTITUDE SUR LES POINTS PIX4D ................................................................................................39 FIGURE 30 : VISUALISATION DU MAILLAGE AVEC LA METHODE 2 ..........................................................................................42 FIGURE 31 : VISUALISATION 3D DU MNT BRUT (A DROITE) ET DU MNT NETTOYE MANUELLEMENT (A GAUCHE) .............43 FIGURE 33 : CADASTRE DE MEYSSE, NON MIS A JOUR ET DECALAGE PAR RAPPORT A LA REALITE [GEOPORTAIL 2017] ..44 FIGURE 32 : MODELISATION DE BATIMENTS SOUS SKETCHUP ................................................................................................44 FIGURE 34 : MODELISATION DES BATIMENTS DE LA VILLE DE MEYSSE SOUS SKETCHUP .....................................................45 FIGURE 35 : MODELISATION DES BATIMENTS SOUS MENSURA ...............................................................................................45 FIGURE 36 : METHODOLOGIE POUR LE RELEVE DES HAUTEURS DES BATIMENTS ...................................................................46 FIGURE 37 : EXEMPLES DE TEXTURES UTILISEES .....................................................................................................................47 FIGURE 38 : CONSTRUCTION DU PONT SOUS SKETCHUP A PARTIR DES POLYLIGNES ET PROBLEMES D'AFFICHAGES ...........47 FIGURE 39 : PONT MODELISE SOUS AUTOCAD, TEXTURE SOUS SKETCHUP INTEGRE SOUS MENSURA ...........................48 FIGURE 40: INTERFACE DU LOGICIEL HEC-RAS .....................................................................................................................49 FIGURE 41 : CALCUL DES MAILLES SOUS HEC RAS ET VISUALISATION DE CES MAILLES A L'EMPLACEMENT DES LIGNES DE

RUPTURE...........................................................................................................................................................................50 FIGURE 42 : HYDROGRAMME DE CRUE DECENNALE INITIAL ET HYDROGRAMME DE CRUE UTILISE SOUS HEC-RAS ..........50 FIGURE 43 : SCHEMA OU SONT REPRESENTES LES DEBITS BV_T, L1, L2, R1 ET R2 ...............................................................51 FIGURE 44: SCHEMA EXPLICATIF POUR SAVOIR COMMENT OBTENIR D ET S0 .........................................................................52 FIGURE 46 : RESULTATS (1) ETAPE 1, (2) ETAPE2, (3) ETAPE 2.1 DILATATION, (4) ETAPE 2.2 EROSION ................................55 FIGURE 47 : RESULTATS DES ETAPES 3 ET 4 AVANT ET APRES SIMPLIFICATION DE LA GEOMETRIE.......................................55 FIGURE 48 : ARBORESCENCE FINALE DES FICHIERS SOUS QGIS .............................................................................................56 FIGURE 49 : RENDU PLATEFORME APRES APPLICATION DE LA POLYLIGNE SUR LA SURFACE TERRAIN .................................56 FIGURE 50 : RENDU PLATEFORME EN UTILISANT LE CONTOUR SIMPLIFIE DE LA CRUE ..........................................................56 FIGURE 51 : REPRESENTATION D'UN EMPLACEMENT OU LA MATIERE A ETE COUPEE PAR UNE PLATEFORME SOUS

MENSURA......................................................................................................................................................................57 FIGURE 52 : MAQUETTE OBTENUE SOUS SKETCHUP COMPRENANT LES DIFFERENTES PLATEFORMES ..................................58 FIGURE 53: COMPARAISON MODELISATION 2D HEC-RAS (A GAUCHE) ET INTEGRATION SUR LA MAQUETTE 3D (A

DROITE) ............................................................................................................................................................................60

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FIGURE 54 : GRAPHIQUES REPRESENTATIFS DU TRAVAIL A EFFECTUER POUR LA REALISATION DES DIFFERENTES TACHES. ..........................................................................................................................................................................................65

FIGURE 55: DETOURAGE DE BATIMENTS ET EMPLACEMENT DES BATIMENTS CADASTRAUX .................................................68

2. TABLE DES TABLEAUX TABLEAU 1: PROBABILITE DES PERIODES DE CRUES ................................................................................................................12 TABLEAU 2 : RECAPITULATIF DES CRITERES A PRENDRE EN COMPTE EN FONCTION DES MODELES.......................................16 TABLEAU 3 : RECAPITULATIF DES LOGICIELS DE MODELISATION HYDRAULIQUE ..................................................................23 TABLEAU 4 : TABLEAU RECAPITULATIF DES RESULTATS TROUVES POUR L'ETUDE DU LAVEZON .........................................31 TABLEAU 5 : VULNERABILITES D'OUVRAGES SUR LES COMMUNES DE MEYSSE ET ROCHEMAURE .......................................32 TABLEAU 7 : RESULTATS DES TESTS REALISES POUR OBTENIR UNE BONNE CLASSIFICATION VIA LE PLUGIN CSF...............41 TABLEAU 8 : ILLUSTRATION DES RESULTATS CSF R_0.50 M ET R_0.80M .............................................................................41 TABLEAU 9 : TABLEAU RECAPITULATIF DES CALCULS EFFECTUES POUR CONNAITRE L'INTERVALLE DE TEMPS A RENTRER

POUR CHAQUE CRUE.........................................................................................................................................................53 TABLEAU 10 : RECAPITULATIF DES TACHES EFFECTUEES POUR LE TRAITEMENT PHOTOGRAMMETRIQUE............................64 TABLEAU 11 : RECAPITULATIF DES TACHES EFFECTUEES POUR LA REALISATION DE LA MAQUETTE ....................................64 TABLEAU 12: RECAPITULATIF DES TACHES EFFECTUEES POUR LA MODELISATION D’UNE INONDATION EN DEUX

DIMENSIONS .....................................................................................................................................................................64 TABLEAU 13 : RECAPITULATIF DES TACHES EFFECTUEES POUR L’INTEGRATION DU RESULTAT DE LA MODELISATION

HYDRAULIQUE SUR LA MAQUETTE 3D ............................................................................................................................65 TABLEAU 14: PRECISION THEORIQUE DU PIXEL AU SOL...........................................................................................................67

3. TABLE DES EQUATIONS ÉQUATION 1 : EQUATIONS DE SAINT-VENANT 1D............................................................................................................. 22 ÉQUATION 2 : FORMULE DU COEFFICIENT SF ...........................................................................................................................25 ÉQUATION 3: EQUATION PERMETTANT DE TROUVER LA TAILLE D'UN PIXEL IMAGE EN MILLIMETRES..................................35 ÉQUATION 5 : C, LE CRITERE A RESPECTER POUR OBTENIR L'INTERVALLE DE CALCUL .........................................................52 ÉQUATION 6: CRITERE PERMETTANT DE TROUVER LA DISTANCE A APPLIQUER ENTRE LES PROFILS.....................................52 ÉQUATION 7: EQUATION PERMETTANT DE TROUVER LA VITESSE D'ECOULEMENT DE L'EAU .................................................52 ÉQUATION 8: EQUATION PERMETTANT DE TROUVER L'INTERVALLE DE TEMPS A APPLIQUER AU CRITERE C .......................52

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