Mensuration, Photogrammétrie, Génie rural 10/2002

Photogrammétrie/Télédétection

Chr. Hagin, P. Lathion

Contexte et objectifsDepuis quelques années, nous couplonsdéjà les systèmes GPS à différents instru-ments tels que capteurs de gaz pour lacartographie des émanations de métha-ne sur les décharges, ou encore les écho-sondeurs pour la représentation des hau-teurs de sédiments et d’eau dans les bar-rages, lacs ou rivières. Depuis bientôt uneannée, nous nous intéressons à la combi-naison d’un radar (Ground PenetratingRadar, GPR) et d’un système GPS-RTK,embarqués dans un hélicoptère, pour lasurveillance du manteau neigeux. Cettetechnique permet d’obtenir simultané-ment les altitudes des différentes inter-faces rencontrées par les ondes radar (nei-ge/glace, terrain) avec une précision dé-cimétrique, sans avoir besoin d’un modèlede terrain à priori. Il est aussi possible dedéterminer les caractéristiques physiquesde la neige telles que densité et teneur eneau.Les objectifs prioritairement étudiés danscette phase de développement sont lessuivants:

La surveillance aérienne du manteau nei-geuxMesures et suivi de l’évolution de la hau-teur de neige dans les zones d’avalanchesou difficiles d’accès, afin d’anticiper aumieux les dangers potentiels ou l’évacua-tion de zones habitées.

Détermination de la densité et de la te-neur en eau de la neigeDétermination de la teneur en eau dumanteau neigeux et estimation du volu-me d’eau disponible sur un bassin versant.

Recherche de personnes sous les ava-lanchesL’image radar obtenue en temps réel per-met de distinguer, en fonction de la den-sité des matériaux, des objets ou per-sonnes intercalées entre le sol et la neige.

La technique radarLe principe est l’interprétation des échosradar pour en extraire les informations re-

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Utilisation combinée destechniques GPS et radarAu début des années 90, les récepteurs GPS étaient des instruments de mesure ré-volutionnaires dans nos professions, destinés presque exclusivement à des applica-tions géodésiques en post-traitement. Au fil de l’évolution technologique, de nou-veaux constructeurs sont apparus, qui ont diversifié et accru les fonctions et les pos-sibilités des récepteurs. Les applications GPS en temps-réel ont rapidement pris le passur le post-traitement, et de plus en plus de récepteurs bon marché ouvrent de nou-velles perspectives dans le vaste domaine de la navigation et du guidage de personnesou de mobiles.Aujourd’hui, le GPS est devenu une technique courante du géomaticien, qui est aus-si utilisé de plus en plus en combinaison avec d’autres capteurs. Ce travail d’intégra-tion permet de géoréférencer à l’aide du GPS les données fournies par les capteurs,et par conséquent de réaliser des cartographies thématiques. Cette méthodologie estutilisée par exemple pour des applications bathymétriques, par couplage d’un systè-me GPS et d’un écho-sondeur, ou pour des assainissements de décharge en combi-nant un capteur de gaz au GPS. Cet article présente plus en détail l’intégration d’unradar au GPS destinée à la surveillance aérienne du manteau neigeux.

Zu Beginn der 90er Jahre waren GPS-Empfänger in unserem Beruf revolutionäre Mess-instrumente, die fast ausschliesslich für die Nachbehandlung von geodätischen An-wendungen bestimmt waren. Im Laufe der technologischen Entwicklung sind neueKonstrukteure aufgetaucht, die die Funktionen und Möglichkeiten der Empfänger di-versifiziert und verbessert haben. Die GPS-Anwendungen in Echt-Zeit haben rasch dieOberhand über die Nachbehandlungen gewonnen, und kostengünstige Empfängereröffnen mehr und neue Perspektiven im weiten Bereich der Navigation und derFührung von Personen oder mobilen Apparaten.Heute ist GPS eine alltägliche Technik der Geomatikfachleute geworden, die auch im-mer mehr in Kombination mit anderen Empfängern verwendet wird. Diese Integra-tion erlaubt, die von den Empfängern gelieferten Daten mittels GPS auf den Raum zubeziehen und folglich thematische Kartierungen zu verwirklichen. Diese Methodikwird beispielsweise für bathymetrische Anwendungen gebraucht durch Kupplung ei-nes GPS-Systems mit einer Echo-Sonde oder für Deponiesanierungen durch Kombi-nation einer Gassonde mit GPS. In diesem Artikel wird näher auf die Integration ei-nes Radars und GPS für die Luftüberwachung einer Schneedecke eingegangen.

All’inizio degli anni ’90 i ricettori GPS erano degli strumenti di misurazione del tuttorivoluzionari nelle nostre professioni, destinati quasi esclusivamente ad applicazionigeodetiche di post-trattamento. Nel corso dell’evoluzione tecnologica sono apparsinuovi costruttori che hanno diversificato e aumentato le funzioni e le potenzialità ditali ricettori. Le applicazioni GPS in tempo reale hanno rapidamente superato il post-trattamento e sono sempre più numerosi i ricettori a buon mercato che aprono nuoveprospettive nel vasto campo della navigazione e della guida delle persone o dei veicoli.Oggi il GPS è diventato una tecnica comune per il geomatico che è sempre più im-piegata in abbinamento ad altri ricettori. Questo lavoro d’integrazione permette di fa-re con il GPS una georeferenza dei dati forniti dai ricettori e, di conseguenza, di rea-lizzare delle cartografie tematiche. Questa metodologia è, per esempio, utilizzata nel-le applicazioni batimetriche, accoppiando un sistema GPS a una eco-sonda, oppurenel risanamento di scarica, abbinando un ricettore a gas al GPS. In questo articolo sipresenta in dettaglio l’integrazione di un radar al GPS per la sorveglianza aerea delmanto nevoso.

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latives à la hauteur et à la structure de laneige, afin de pouvoir cartographier cesmesures à l’aide du GPS couplé au radar.Les différentes hauteurs (terrain, neige,hélicoptère) sont déduites du temps decheminement aller-retour des ondes élec-tromagnétiques dans les différents mi-lieux traversés, sachant que les vitesses depropagation de ces ondes diffèrent sui-vant les milieux. La vitesse de propagationde l’onde est liée directement à laconstante diélectrique ξr du milieu et peutêtre interprétée selon la formule suivan-te:ξr = (c/v)2

avec c = célérité et v = vitesse de l’onde dans le milieu.

Selon la précision désirée, un nouveau ca-librage est nécessaire à chaque fois queles caractéristiques physiques de la neigechangent de manière significative. Noussommes actuellement en cours de déve-loppement d’une solution permettantd’obtenir simultanément la densité et lahauteur de neige par interprétation destemps de propagation et de mesuresd’amplitude du signal radar (fig. 1–2).

Détermination deshauteurs de neige partechnique radar et GPScombinée, embarquéedans un hélicoptèreCe paragraphe explique la méthodologiedéveloppée pour cette application, ainsique les différents tests réalisés pour esti-

mer la précision des hauteurs livrées parle radar.

Description des mesuresLa zone de mesures se situe au dessusd’Evolène (VS), dans le secteur de la zo-ne de décrochement de l’avalanche de fé-vrier 1998 (entre le col de Torrent et laPointe du Prélet, altitude 2700 mètres).Plusieurs lignes de vol de 100 mètres, es-pacées de 20 à 40 mètres, ont été survo-lées. Sur ces mêmes lignes, des sondagesmanuels ont été réalisés (mesures de pro-fondeur de neige) tous les 5 à 10 mètres,et géoréférencés par la méthode GPS-RTK(~2–5 cm). D’autre part, des échantillonsont été récoltés par carotage (fig. 3–4).

Navigation et positionnement parGPSLe système GPS-RTK embarqué nous per-met de naviguer de manière précise sur

les lignes de vol prédéfinies (zones de dan-ger potentielles), et ainsi d’indiquer avecprécision au pilote les points et lignes qu’ilfaut survoler. Cette méthode permettraaussi lors de mesures répétitives d’effec-

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Fig. 1: Hélicoptère avec Radar et GPS.

radar

Fig. 2: Scan radar en temps réel (interface neige-sol).

H

Fig. 3 et 4: Mesures de contrôle par GPS-RTK et sonde, ainsi que par carotage.

Fig. 5: Lignes de vol avec les points me-surés précédemment au sol et indica-tion en temps réel de la position del’Hélicoptère (radar monté à la verti-cale de l’antenne GPS).

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tuer des mesures exactement aux mêmesendroits, ce qui s’avère important pour ju-ger de l’évolution du manteau neigeux.

Pour faciliter la navigation et le position-nement des mesures radar, les antennesGPS et radar sont situées sur un même

axe. Les mesures radar sont donc géoré-férencées directement sans post-traite-ment par le positionnement GPS (fig. 5).

Mesures RadarL’image digitale du radar, le positionne-ment et la navigation GPS-RTK sont réa-lisés simultanément et en temps réel dansl’hélicoptère. La précision «on-line» sur lahauteur de neige dépend évidemmentdes paramètres introduits au cours desmesures (densité de la neige par exemple).En règle générale, nous donnons une va-leur globale durant le vol, l’importantétant de vérifier la qualité de l’image ra-dar durant les mesures. En effet, il est plusaisé pour l’interprétation d’utiliser des

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Fig. 6 et 7: Image radar en temps réelle et la navigation par GPS-RTK.

Colonnes A, B, C, D: numéro du points, coordonnées et altitude de vol (antenne GPS)H, I, J: temps de parcours de l’onde aller et retour jusqu’à : la neige, au sol et dans la neigeK: valeur de neige mesurée à ce point avec une sonde (valeur vraie)L, M: hauteur provenant du radar et des mesures à la sonde pour chaque point considéréN, O, P, Q: altitudes du radar, de la neige, du terrain, et hauteur du radar au-dessus du solT, U: vitesse de propagation de l’onde dans la neige et de la constante diélectriqueV: densité de la neige calculée

Tab. 1.

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images qui distinguent bien les différentescouches traversées par les ondes radar(fig. 6–7).

Traitement et calculLe calcul des hauteurs de neige sont dé-duites des images radar et dépendent dela vitesse de propagation de l’onde dansle milieu. Cette vitesse varie suivant la den-sité de la neige. Pour obtenir cette densi-té, il existe en fait plusieurs méthodes:� mesure de masse volumique par caro-

tage et prise d’échantillons;� mesure de hauteurs de neige avec son-

de et mise en correspondance avec une

image radar prise à l’endroit du sonda-ge;

� interprétation des mesures d’amplitu-de du signal radar (par comparaison àl’amplitude fournie par le radar pour laglace). Cette solution est en cours dedéveloppement.

Il est actuellement encore difficile d’obte-nir des résultats définitifs de hauteurs deneige en temps réel depuis un hélicoptè-re. En revanche, il est relativement aiséd’obtenir ces hauteurs en temps réellorsque le radar se trouve en contact di-rect avec la neige (mesures sur pistes avecou sans dameuses, par exemple).

RésultatsL’extrait du fichier-résultats (tab. 1)montre le principe du calcul pour arriverà la détermination de la hauteur/altitudede la neige et/ou du terrain. Dans cetexemple, deux zones géographiquementdistinctes ont été survolées, sur lesquellesdeux valeurs de calibration ont été utili-sées (2.12 m et 1.7 m).D’une manière générale, l’on remarqueque la profondeur mesurée avec la son-de est inférieure aux mesures par radar.Cela s’explique par le fait que les couchesinférieures de neige sont relativementdures et qu’il est difficile d’atteindre avecla sonde le terrain naturel. Le tableau 2montre une statistique sur la précision desmesures effectuées.La densité de la neige varie drastiquementsuivant l’exposition de la pente. Parexemple, sur le site de mesures, la densi-té de la neige variait de 332 kg/m3 (pen-te nord) à plus de 600 kg/m3 (pente sud).En négligeant cette variation et en utili-sant une valeur constante de 300 kg/m3

sur tout le site de mesures, nous aurionsconstaté des erreurs sur les hauteurs deneige de l’ordre de 20% pour une densi-té de 600 kg/m3. Afin d’obtenir des ré-

sultats précis, il est donc important d’ef-fectuer un calibrage lors de modificationssignificatives de la physiologie du man-teau neigeux.

Représentation des mesuresIl est ensuite aisé de représenter les hau-teurs et altitudes obtenues à l’aide de mo-dèles numériques de terrain ou de neige,de profils incluant la hauteur du terrain etde la neige, ou encore sous forme decartes thématiques (fig. 8–10).

Domaines d’applicationsConcernant les deux autres applicationscitées ci-dessus, nous pouvons actuelle-ment donner les informations suivantes:� pour les estimations de teneur en eau,

des expériences et mesures pratiquesréalisées en Suisse et dans les pays nor-diques nous montrent que l’on peutprévoir avec une probabilité de 90-95%, la quantité d’eau contenue dansla neige sur le bassin versant d’un lacou d’un barrage.

� pour la recherche de personne sous lesavalanches, la complexité des imagesradar rend leur interprétation «on-line»très difficile. De nombreux tests et déve-loppements doivent encore être réalisésafin de pouvoir lire ces scans de ma-nière fiable en temps réel pour une tel-le application.

La méthodologie expliquée dans cet ar-ticle pour des mesures au travers de la nei-ge peut être extrapolée à d’autres milieux(avec ou sans hélicoptère). La fréquence

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zone # de mesures Moyenne Écart-type Densité

1 (ubac) 17 5.9 cm 8.2 cm 0.332

2 (adret) 13 8.0 cm 8.1 cm 0.675

Tab. 2.

Fig. 8.

Fig. 9.

Fig. 10.

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utilisée par le radar est le paramètre quidétermine la profondeur d’investigationdans ce milieu, ainsi que la résolution.Des hautes fréquences (1 GHz parexemple) donnent des images radar trèsdétaillées, mais ne pénètrent quequelques mètres dans le sol. Par contre,les basses fréquences (20 MHz parexemple) permettent de sonder très pro-fondément, avec une résolution très gros-sière.Finalement, un système embarqué (air-borne system en anglais) n’est pas tou-

jours approprié. En effet, les échos radarpeuvent soit être trop faible, soit se trou-ver en interférence avec certains systèmesélectroniques de l’avion ou de l’hélico-ptère. Il est dans ces cas judicieux d’utili-ser des antennes spécialement conçuespour ce type d’applications airborne.Les applications possibles pour cette tech-nique sont par conséquent multiples. Oncitera quelques exemples non exhaustifs:� la glaciologie: évolution des glaciers� la géologie/hydrogéologie: recherche

de nappes, structure de la roche

� l’archéologie: recherche de site, caver-ne

� le génie forestier: MNT en forêt, hau-teur de la couverture végétale

� le génie civil: recherches de canalisati-ons, de fissures dans des ouvrages d’art.

Christian Hagin, ing. dipl. EPF/SIAPatrick Lathion, ing. dipl. EPFLGeosat SACh. de la Métralie 26CH-3960 Sierreinfo@geosat.ch