Bases du géo-référencement (Géodésie et GNSS)Exemple sous Google Earth Coordonnées géographiques, système géodésique WGS84 1. Eléments de géodésie 1.6. Les projections

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Bruno TISSEYRE - Regione Sicilia Juillet 2014 1

Bases du géo-référencement(Géodésie et GNSS)

Bruno TISSEYREProfesseur Montpellier SupAgro


Pourquoi est-ce important ?

L’une des grandes spécificités de l’information spatialisée : les éléments de cetteinformation sont rattachés à des coordonnées spatiales.

Le problème, c’est qu’en fonction :-de l’échelle de travail,-du domaine d’activité et des fournisseurs de données,-de l’outil utilisé pour localiser l’information,

plusieurs systèmes géodésiques et/ou plusieurs projections sont possibles.Si l’on n’y prend pas garde, les informations ne sont pas superposables.

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1. Eléments de géodésie,2. Le GNSS (GPS)


1.1. Les premières représentations cartographiquesDes représentations symboliques…

Exemple : Table de Peutinger 6,82 m sur 0,34 m.(XIII siècle)

Le format ne permet pas une représentation fidèle des paysages :-une représentation symbolique, à l'image des plans de métros comme celui de Paris,-permet de se rendre facilement d'un point à un autre,-permet de connaître les différentes étapes et les carrefours.

1. Eléments de géodésie

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Encore en vigueur aujourd’hui.

Plan du métro de Kiev (Ukraine)Sources : http://ukrainevoyage.com/plan-metro-kiev.htm




Ces représentations utiles pour certaines applications se sont avéréesinsuffisante pour les besoins qui ont émergés :

- besoin pour la navigation (commerce émergent avec les amériques)- besoin de mesure de surfaces (propriété, taxes, impôts, etc.)- besoins militaires (dimensionner les assauts, les tirs, etc.)

Dès le XIV éme siècle, nécessité de développer une représentationcartographique fidèle.


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1.2. Vers une représentation fidèle

Le problème

??

x

y

Des solutions incomplètes : cartes de Cassini



1.2. Vers une représentation fidèle

La solution

Avec : lattitude : longitude

Il faut définir :

- un modèle de la terre (, ),- un modèle associé (projection) (f1,f2)- pour définir (x,y)


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1.3. Le modèle de la terre : système géodésique

Sa définition/mesure :

Objet de constants réajustements enfonction des progrès techniques

Système géodésique :-un ellipsoïde,-un centre,-un méridien origine



1.3. Le modèle de la terre : ellipsoïdes

AIG : association internationale de géodésieUGGI : Union géodésique et géophysique internationaleUAI : Union astrophysique internationale


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1.4. Première tentative

Cartes “fidèles” pour naviguer à travers les océans, choix d’une projection conforme= qui conserve les angles (navigation au sextant).Projection de Mercator (1569), pays bas espagnol. (le monde est centré sur les paysbas) Systéme géodésique approximatif.




Une certaine vision du monde !

- l’Amérique du sud est plus petite que le Groenland en réalité de combien de foisest-elle plus grande :

- 2 fois ?- 6 fois ?- 9 fois ?


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Une certaine vision du monde !

- l’Amérique du sud est plus petite que le Groenland en réalité de combien de foisest-elle plus grande :

- 2 fois ?- 6 fois ?- 9 fois ?

L’Europe (9,7 millions de kilomètres carrés) semble plus étendue que l’Amérique du Sud, pourtant près de deux fois plusgrande (17,8 millions de kilomètres carrés).La Russie (17 millions de kilomètres carrés) semble beaucoup plus étendue que l'Afrique (30 millions de kilomètrescarrés) alors que cette dernière est plus grande que l'Inde, la Chine, les États-Unis, l'Europe et le Japon réunis.

https://gmaps-samples.googlecode.com/svn/trunk/poly/puzzledrag.html?utm_source=welovemapsdevelopers&utm_campaign=mdr-general



1.5. Les projections usuelles nationales

Premières cartes “fidèles”Dès le 18 éme siècle dans tous les pays d’Europe avec des systèmés “nationaux”.


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Premières cartes “fidèles”Dès le 18 éme siècle dans tous les pays d’Europe avec des systèmés “nationaux”.


Système géodésique usuel pour les pays d’Europe :Ellipsoïde de Clarke 1880Projection conique centré sur le 45 éme paralèle


Exemple de section de carte d’état major (1/80 0000)



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A la fin de la seconde guerre mondiale, les américains et les anglais mettenten place un système géodésique Européen unifié pour la gestion desdébarquements et la libération des territoires occupés.

Naissance de l’ED (European Datum) qui sera codifié rigoureusement en1950 par les américains (OTAN1) pour la cartographie des territoires« occupés ». (ED50)

Il est basé sur l’ellipsoïde la mieux définie à cette époque (Hayford 1909),Choix d’une projection conforme adaptée à l’étendue du territoire(Universal Transverse Mercator – UTM)

1.6. Les projections définies au niveau Européen

1 Organisation du Traité de l’Atlantique Nord



Système géodésique ED50 :Ellipsoïde de Hayford 1909Projection cylindrique associée (UTM, 60 fuseaux)Méridien origine (Greenwich)Centrée sur Postdam (Allemagne)

1.6. Les projections définies au niveau Mondial


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En 1995, l’achèvement du projet de Global Positioning system (GPS) financé par ledépartement de la défense américain vient introduire un nouveau systèmegéodésique global (WGS 84).

Choix de l’Ellipsoïde la mieux définie (WGS 84) et du système géodésique associé.Choix d’une projection conforme (UTM)




Le développement du positionnement par GPS à l’échelle mondiale va instaurer lesystème géodésique WGS84 comme un standard de fait.

Exemple sous Google Earth

Coordonnées géographiques,système géodésique WGS84



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Malheureusement, au niveau européen, l’introduction d’une projection UTMassociée au système géodésique WGS84 va introduire une confusion avec l’ED50.

Attention !

X (UTM/ED50)

Y (UTM/ED50)

X (UTM/WGS84)

Y (UTM/WGS84)

L’échange de données spatialisées nécessite de spécifier la projection ainsi que lesystème géodésique associé.




L'EPSG – European Petroleum Survey Group –, un groupe créé en1985 par Jean-Patrick Girbig alors avec ELF, a défini une liste des systèmes de coordonnéesgéoréférencées et leur a associés des codes pour les identifier.

Sources : wikipédia


1.7. Comment s’y retrouver ?

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Un exemple de difficulté sur la mise en place d’un projet réelDomaine Pagos de Arais (Navarre, Espagne)

Contour des parcellesSyst. National espagnol (SNE)


1.8. Un cas d’étude


SNE


1.8. Un cas d’étudeUn exemple de difficulté sur la mise en place d’un projet réelDomaine Pagos de Arais (Navarre, Espagne)

Image satelliteUTM/ED50

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SNE UTM/ED50

Modèle numérique de terrain (altitude)UTM/WGS84




Lambert93/RGF93 Lambert2 e /NTF

Lambert 3/NTF

Conductivité électrique apparente du solUTM (30) /WGS84



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Zonage du vignoble




1.9. Le cas particulier de l’altitude

L’altitude « 0 » est définie comme le niveau moyen des mers et des océans à lasurface de la terre.

La surface correspondant à ce niveau moyen (surface équipotentielle de gravité) :-ne correspond pas à un modèle simple de la terre-ne correspond surtout pas aux modèles simplifiés tels que l’ellipsoïde.

Cette surface correspond au géoïde.


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Géoïde Ellispoïde




Localement : des écarts importants entre géoïde et ellipsoïde

Ellipsoïde de référence

Géoïde



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Attention à la mesure d’altitude avec un récepteur GPS :- information sur la hauteur au dessus de l’ellipsoïde (HAE)- information sur l’altitude (elevation)

- suppose d’avoir une base de donnée associée au géoïde dans le récepteur.



La précision en altitude va dépendre de :- La qualité de positionnement du récepteur,- La qualité du modèle (Géoïde) du récepteur,


1. Eléments de géodésie,2. Le GNSS (GPS)

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2. Introduction au GNSS

• Le segment spatialC’est l’ensemble des satellites qui diffusent dessignaux radio

Satellite GNSS

Station de contrôle

Utilisateur GPS

Le segment de contrôleConstitué par des stations de contrôle ausol, réparties sur la planète,Vérifient et corrigent le comportementdes satellites (orbites, horloges)

Le segment utilisateurC’est la communauté des utilisateurs, munis de leursrécepteurs GPS

Constellation satellites

(Global navigation satellite system)

2.1 La logistique du système



2.1 La logistique du système

Système Américain (GPS) : > 24 satellites opérationnelsSystème Russe (GLONASS) : > 24 satellites opérationnels,Système Chinois (Beidu) : > 20 satellites opérationnels,Système Européen (Galiléo) : > 4 satellites opérationnels,

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2.2 Modes de positionnement

Précision X,Y0

GPS naturelaGPS

10 m

GPS naturel/EgnosaGPS/Egnos

3 m

GPS phase

1 m.

DGPS

0.5 m

RTK


• Les satellites envoient en continu un signalradio permettant de savoir :– Quel est le satellite émetteur

– A quelle heure est partie la trame radio

• Et un message satellite qui indique– La position du satellite (paramètres de son

orbite)

– + des infos sur l'ensemble de la constellation• Orbites de tous les satellites

• Erreurs d'horloges

• Informations sur l’état atmosphérique

je veuxconnaître ma

positionX, Y, Z

je suis le satellite n° 18il est 14h 02mn 35,293741 sma position est X4,Y4,Z4



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sv3 : X3Y3Z3

sv2 : X2Y2Z2

sv1 : X1Y1Z1

sv4 :X4

Y4

Z4

1

2

3

4

XYZ

5

sv5 : X5Y5Z5

Inconnues

Principe basé sur une mesure de temps etde distance




Heure réception :D'après l'horloge du récepteur

Horloge à quartzPrécision de l'ordre de 10-6s

Dérive importante, mal connue

Heure émission :Contenue dans le signal du satellite

Horloge atomiquePrécision de l'ordre de 10-9s

Très précise

L'ordre de grandeur de tt = 20 000 km / 300 000 km/s = 0,066 serreur de 10-6 s dans la mesure du temps <=> erreur 300m dans la mesure de la distance

Calcul du temps de vol (t)t = heure réception - heure émission

Mais ces 2 temps sont mesurés avec 2 horloges de types différents

La dérive de l'horloge du récepteur est une inconnue supplémentairedans le système d'où la nécessité d ’un 4ème satellite

Afin de tenir compte du décalage de l'horloge récepteur.



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• Les erreurs satellites– Erreurs d'horloges– Erreurs d'orbites

• Les erreurs atmosphériques– La ionosphère

particules chargées

– La troposphèretempérature, humidité, pression

• L'environnement de lamesure

– Masque =Obstruction du signalreliefcouvert forestiercanyon urbain

– Multi-trajet– Géométrie de la constellation des

satellites

• Le récepteur– Qualité de l'électronique

satellites

traversée del'atmosphère

environnement de lamesure

+ récepteur


2.3 Les sources d’erreur



2.3 Les sources d’erreur

• Multi-trajet etmasque

• GDOPDescription de la contributionpurement géométrique del’incertitude d’une position.

Mauvais GDOP Bon GDOP

Multi-trajetMasque

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nécessite plusieurs récepteurs un récepteur mobile au moins un récepteurde référence

placé sur une position connue reçoit les mêmes signaux que le récepteur

mobile calcule pour chaque satellite (sur les

pseudo-distances) le t "théorique" et connaît donc les corrections à apporter

• et une liaison entre les deux

– liaison en temps réel• balises côtières, liaison GSM, liaison

radio ou systèmpe RDS FM

• services de fournitures de correctionspar satellites géostationnaires

– ou en temps différé (post-traitement)

Récepteur de référence(point connu)

s1 s2s3

s4Correction

Distance "vraie" calculée

s1

s2

s5

Récepteur "mobile"(point non connu)

Pseudo-distance

Correction = distance calculée -distance mesurée

Pseudo-distancemesurée


2.4 Les corrections (DGPS)


– Initiative des groupes d'utilisateurs civils (transports aériens)

– Amélioration de la précision et de l'intégrité

– Par une "augmentation" du système GPS• Grâce à un réseau de stations d'observations au sol, et des satellites

géostationnaires• Envoi de corrections différentielles et de messages d'intégrité• 3 programmes compatibles entre eux

– WAAS: américain (opérationnel depuis 2003)– EGNOS : européen (opérationnel depuis 2007)– MSAS : japonais (2005)

2. Introduction au GNSS2.4 Les corrections (DGPS)

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Bruno TISSEYRE - Regione Sicilia Juillet 2014 43Sources : wikipédia

2. Introduction au GNSS2.4 Les corrections (DGPS)


• Corrections en temps réel– Un réseau de balises côtières

• 7 stations sur les côtes françaises

• Gérées par le service des phares et balises

• Gratuit

– Des services payants par satellite (géostationnaire)Omnistar

VBS (précision <1m en temps réel),

XP (précision < 20 cm en temps réel)

HP (précision < 10 cm en temps réel).

Disponible pour l'Europe (sauf hautes latitudes)

• Un réseau de stations

• Calcul d'un modèle numérique de corrections

• Envoi du signal relayé par des satellites géostationnaires

• Moyennant un abonnement

– Réseau de mesure GPS (GeoDAF en Italie)

Nouveaux : VRS (Virtual Reference Station) Orphéon,S@t-info, Téria,…


2.4 Les corrections (DGPS)

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Ce type de mesure est un autre moyen de calculer les distances vers les satellites

• Principe– Les satellites émettent des signaux radios sinusoïdaux . Les codes qu'ils portent sont des

modulations de ces signaux.– On peut compléter la mesure de distance par une mesure sur la phase de l’onde porteuse

Distance= N * + N= nb de cycles; =longueur d'onde ; =déphasage

( Le nombre de cycles ne peut être calculé qu'avec un 2ème récepteur deréférence) Performance

Ce type de positionnement RTK (Real Time Kinematics) permet d'atteindre des mesures de grande précision


2.4 Les corrections (RTK)


GPS en mode naturel (10 m.)

- trouver une parcelle – être sûr d’être dans la bonne parcelle,

- retrouver un dispositif expérimental matérialisé dans une parcelle,

GPS Garmin Personnal Digital Assistant

Price : 100-600 €


2.5 Les utilisations en viticulture

Smartphone

Tablet

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GPS en mode naturel (10 m.)





GPS locations

Localisation réelle

Erreur (GPS Smartphone, SamsungGalaxy S2 : 9.9m)


Exemple d’utilisation à l’échelle d’un terroir.

Total titrable acidity (courtesy of ICV)



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Multiplex ™Force-A

SPECTRON™Pellenc, IRSTEA, IFV

www.pellenc.com www.force-a.euBaluja et al., 2012.Geraudie et al., 2010

Un GPS en mode naturel embarqué dans tous les outils de mesure développésIntérêt de contrôle des opérations pour certaines structures.


GPS en mode naturel + Correction EGNOS (3 m.)



- Estimer une surface, cartographier

Prix : 100-600 €



Vignoble de 150 ha.Positionnement deun point tous les 40m. et cartographiedu paramètremesuré.

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Le GPS differentiel DGPS (0.5-1 m.)

- localisation précise d’information au niveau intra-parcellaire (rendement, vigueur),- retrouver un rang (en fonction de la densité de plantation),- mesure de surface, définition des contours d’une parcelle, localisation d’uneexpérimentation, etc.

Prix : > 7000 € + abonnement à la correction




Suivi des machines,Cartographie de paramètres,

Sources : Pellenc-agro.Montpellier



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Le parcellaire d’une exploitation

Sources : www.toposat.fr

• Mesure de la surface des parcelles culturales

• Enjeux– économiques et environnementaux

• ex: calcul des doses de produits à l ’ha– aspects reglementaires

• déclaration des surfaces PAC


2.5 Les utilisations

Le GPS differentiel DGPS (0.5-1 m.)


The Real Time Kinematic (RTK) GPS (1 cm.)

- seul système possible pour mesurer l’altitude avec précision,- permet de retrouver un pied de vigne,- Guidage des machines (plantation, piquets, etc.)

Price : > 8000 €Mais une évolution très rapide



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Quality of the position : +/- 0.02 m.Exemple de mesure d’altitude d’un parcelle

The Real Time Kinematic (RTK) GPS (1 cm.)

- seul système possible pour mesurer l’altitude avec précision,- permet de retrouver un pied de vigne,- Guidage des machines (plantation, piquets, etc.)



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