L’apport du LIDAR dans les géosciences. Application par l’Observatoire de la Côte Aquitaine

Evolution trait de côte, Risques naturels

05/12/2016

L’Observatoire de la Côte Aquitaine (OCA), dont une des missions est le suivi du littoral aquitain, utilise, depuis quelques années, la technologie LiDAR pour ses levés grâce à un partenariat avec l’IGN (Institut national de l’information géographique et forestière). Cet outil représente pour l’OCA une réelle plus-value pour l’observation du terrain et améliore l’analyse de phénomènes naturels. Explications.

Qu’est-ce que le LiDAR ?

Le LiDAR (LIght Detection And Ranging ou en français altimétrie laser aéroportée) est une technique de télédétection active qui permet de mesurer la distance par rapport à un objet par émission d’ondes lumineuses au moyen d’un faisceau laser dans les domaines de l’ultraviolet, du visible et/ou de l’infrarouge.

La technique repose sur un double système d’émission / réception de lumière. Un télémètre laser émet une faible impulsion lumineuse et reçoit en retour l’impulsion réfléchie par l’objet touché. La mesure du temps écoulé entre l’impulsion et la réception permet de calculer la distance franchie par le signal initialement émis.

L’onde lumineuse est ainsi envoyée par émetteur depuis un avion ou hélicoptère volant à une altitude fixe. Au contact d’un objet et/ou de la surface de la Terre, l’onde est réfléchie puis réceptionnée par un récepteur lui aussi localisé sur l’avion. L’avion réalise selon un plan de vol, défini à l’avance, des lignes parallèles afin de recouvrir la surface à analyser par balayage (Figure 1).

Le rendement de l’équipement est élevé car le vol s’effectue à environ 55 m/s permettant de couvrir de vastes surfaces en quelques heures. L’altitude de vol peut varier de 200 à 5000 mètres environ, ce qui permet d’obtenir une fauchée variant de quelques dizaines de mètres à 7000 m selon le réglage de l’ouverture du LiDAR. Lors des levés LiDAR, une acquisition de photographies aériennes verticales est systématique.

La densité de points mesurés est également importante (2 à 8 points/m²) et permet une restitution très précise de la topographie.

Le rendement et la densité sont les 2 atouts majeurs du LiDAR.

Les données mesurées par le LiDAR se présentent sous la forme de nuages de points en 3 dimensions contenant toutes les coordonnées (latitude, longitude et altitude) de la première surface rencontrée. Des prétraitements sont nécessaires afin de trier les points appartenant au sol (surface de la Terre), au sursol (anthropique, végétal, hydrologique) ainsi que les retours multiples du faisceau.

 

Figure 1 – Principe de fonctionnement du LiDAR aéroporté (source : Fernander-Diaz. Et al., 2014)

 

Le Lidar, une richesse pour les ingénieurs de l’Observatoire de la Côte Aquitaine

Le rôle de l’Observatoire de la Côte Aquitaine (OCA) est de mettre au service de l’ensemble des acteurs du littoral un outil scientifique et technique d’aide à la décision, à la gestion et à la prévention des risques côtiers. Afin de suivre l’évolution du littoral aquitain, les phénomènes de submersion marine et de tempêtes, l’Observatoire mobilise un réseau unique de mesures et d’observations scientifiques et techniques. L’OCA s’appuie sur des instruments de précision : GPS, photographies aériennes, images satellites de très haute résolution, lasers 3D mais aussi la technologie LIDAR. L’OCA a ainsi acquis des données LIDAR en 2014 et 2016, et ce grâce à un partenariat avec l’IGN.

Les différents levés réalisés constituent une richesse pour les ingénieurs de l’OCA, ainsi que pour l’ensemble des acteurs du littoral en Aquitaine. La donnée étant libre de droit et partagée via la plateforme PIGMA, les levés ont déjà permis de nombreux traitements et applications :

 

  • Données de base pour la réalisation des Plans de prévention des risques littoraux « submersion marine »

Dès 2012, le BRGM a été chargé par les DDTM (Directions départementales des territoires et de la mer) de caractériser l’aléa submersion marine pour les départements de la Gironde, des Landes et des Pyrénées-Atlantiques.

L’aléa submersion marine se définit sur un secteur par le croisement de plusieurs caractéristiques, c’est-à-dire par le croisement des hauteurs d’eau atteintes par la submersion avec les vitesses de l’écoulement à terre. D’autres caractéristiques dynamiques, telles que la durée de la submersion et les zones d’entrée d’eau, sont également étudiées pour définir cet aléa.

Outre la qualité des données météo-marines, la robustesse de la méthodologie employée et la période de retour de l’évènement de référence qui contrôlent la précision des résultats, la qualité des données topographiques est fondamentale pour réaliser un Modèle Numérique de Terrain (MNT) précis et caractériser l’aléa. Certains éléments de la topographie jouant un rôle majeur sur l’écoulement de l’eau (présence de fossés, de levées et de murets, seuils topographiques et cuvette, etc.), il est donc requis d’avoir une précision verticale avec une résolution spatiale des données topographiques aussi fines que possible à l’échelle géographique du secteur.

  • Les levés topographiques issus de mesures DGPS présentent une précision centimétrique idéale mais n’ont généralement pas une résolution spatiale suffisante à l’échelle d’un secteur exposé à la submersion marine.
  • Les données issues des bases BD ALTI et BD TOPO présentent une précision verticale (2 à 3 m) et une résolution spatiale (50 m) insuffisantes pour caractériser l’aléa submersion marine.
  • En revanche, les données de type LIDAR, qui présentent une précision verticale meilleure que 20 cm avec une maille de 1 m pour la résolution spatiale, sont adaptées pour la caractérisation de l’aléa submersion marine.

 

L’utilisation des données de type LIDAR nécessite systématiquement une analyse préalable afin de vérifier la bonne représentation des éléments topographiques qui jouent un rôle majeur dans l’écoulement de l’eau et dont les dimensions peuvent être inférieures à la maille de 1 m (Figure 2, fossés, levées, murets, seuils topographiques, cuvette, etc.). Dans les cas où ces éléments ne sont pas correctement représentés, les données de type LIDAR peuvent être complétées par des données DGPS pour la réalisation du MNT.

 

Figure 2 – Eléments topographiques qui sont susceptibles de ne pas être représentés par les données de type LIDAR

 

  • Calcul de différentiel sur un secteur particulier

Le Syndicat intercommunal du bassin d’Arcachon (SIBA) avait levé un jeu de données LiDAR dès 2005. L’OCA a pu l’utiliser pour mettre en évidence des évolutions géomorphologiques sur un secteur suivi le long de la flèche du Cap-Ferret.

 

Figure 3 – Secteur d’étude

 

Voici ci-dessous les MNT résultant des 2 levés LiDAR, et le différentiel calculé :

Le bilan sédimentaire sur ce secteur montre une érosion de plus de 155 000 m3 de sable correspondant aux zones orange et rouge ci-dessus.

 

  • Bilan sédimentaire à l’échelle de la côte sableuse du littoral aquitain

Un bilan sédimentaire a été calculé à partir du différentiel des LiDAR 2011 et 2014.

Pour ce faire, une emprise a été définie sur la base du trait de côte 2014 (digitalisé à partir des ortho-photos issues de la même campagne).

Une emprise de 150 m de large autour du trait de côte 2014 a été définie, allant de 50 m à l’Est (intérieur des terres) jusqu’à 100 m à l’Ouest (plage).

L’extraction du différentiel des LiDAR sur cette emprise permet de calculer des statistiques par cellules sédimentaires et d’évaluer un bilan volumétrique.

 

Tableau 1 – Bilan volumétrique défini à partir du différentiel LiDAR 2011-2014 pour la côte sableuse aquitaine et par cellule hydro-sédimentaire

 

De manière générale, on constate sur la période 2011-2014 une érosion moyenne correspondant à une perte de 10 Mm3 de sable sur la zone d’emprise définie pour cette étude (bande de 150 m le long du trait de côte Gironde et Landes).

Cette érosion correspond à une perte moyenne de 46 m3 de sable par mètre linéaire répartis sur l’ensemble du littoral sableux. Les cellules sédimentaires 1.5 au sud de Soulac-sur-Mer, 3.1 et 3.2 entre Carcans et Lacanau affichent les bilans volumétriques les plus importants avec des érosions moyennes allant de 100 à 174 m3/ml.

 

  • Localisation et quantification du recul du trait de côte sur le littoral sableux aquitain après les tempêtes de 2014

Dans le cadre de l’Observatoire de la Côte Aquitaine et de cette étude, le trait de côte correspond à la limite plage-dune1.

Le principe de cette analyse repose sur l’utilisation du différentiel altimétrique entre les Modèle Numérique de Terrain (MNT) de 2011 et 2014 pour identifier les secteurs où les falaises dunaires ont fortement évolué (érosion ou accrétion). Une évolution sera représentée par des valeurs importantes pouvant être extraites et traitées de façon à en conclure sur des évolutions quantifiables.

Considérant la hauteur moyenne d’une falaise dunaire d’au moins 3 m, les secteurs dont les évolutions dépassent 3 m ont été isolés.

 


1 La définition de « trait de côte » utilisée pour cette étude est basée selon les critères géomorphologiques suivants :

– Pour la côte sableuse : séparation entre la dune et la plage correspondant selon la configuration géomorphologique à l’un et/ou l’autre des indicateurs suivants :

o pied de falaise dunaire,

o rupture de pente topographique,

o limite de végétation dunaire,

o ouvrage de protection longitudinal.

 

Figure 4 – Extraction des entailles dunaires à partir du différentiel LiDAR (2011-2014) sur le littoral de Lacanau. En haut à gauche : extraction des différences > 3 m ; en haut à droite idem sur fond d’ortho-photos 2014 ; en bas à gauche : idem avec les traits de côte 2009 (noir) et 2014 (turquoise)

 

La Figure 4 illustre un exemple pris au nord de Lacanau-Océan. Les zones rouges correspondent soit à des différences supérieures à 3 m, soit à des érosions du cordon dunaire.

Les caractéristiques géométriques des différents polygones ont ensuite été calculées, en particulier la surface, la longueur maximum et la largeur moyenne. C’est précisément cette dernière information qui permet de faire l’analyse de l’évolution du littoral sableux aquitain entre 2011 et 2014.

Cette méthode suggère plus de 1 000 secteurs érodés sur l’ensemble de la côte sableuse allant de 0,5 m² à 124 055 m² avec des largeurs comprises entre 38 cm et plus de 87 m.

Seules les zones de superficie supérieures à 2 000 m² ont été conservées pour l’analyse.

Les entailles d’érosion dunaires mises en évidences par le différentiel LiDAR ont des largeurs de 2 à 37 m, des longueurs maximales de 3,1 km et des superficies allant jusqu’à 63 000 m2.

En moyenne, ces entailles font 520 m de long sur une largeur de 16 m et une surface de 9000 m2.

La représentation spatiale de ces entailles révèle que leurs dimensions (notamment leurs largeurs représentant donc le recul du trait de côte) sont plus importantes sur le littoral girondin que landais (Figure 5).

 

Figure 5 : Spatialisation des principales érosions

 

Il est également possible de représenter les entailles d’érosion dunaires par cellules hydro-sédimentaires (Tableau 2, Figure 6).

 

Tableau 2 : Caractéristiques géométriques des entailles d’érosion dunaire par cellules hydro-sédimentaires

 

Figure 6 : Répartition des principales érosions par cellules hydro-sédimentaires

 

Ainsi, la méthode utilisée par différentiel de LiDAR permet rapidement et automatiquement d’identifier les principaux sites érodés sur le littoral et ainsi pouvoir optimiser au mieux la gestion de ces secteurs.

L’analyse et les différents modes de représentation confirment le constat post-tempêtes réalisé par Butleau et al. (2014), notamment que l’érosion entre 2011 et 2014 est plus importante sur la côte girondine que dans les Landes. A titre d’exemple, les cellules 1.5 au sud de Soulac-sur-Mer et 3.3 entre Lacanau et Carcans ont été particulièrement concernées avec des reculs moyens sur cette période de 15 à 25 m et parfois atteignant plus de 35 m.

La cellule 4.2, zone sud des passes du Bassin d’Arcachon, présente également des valeurs importantes du fait de la forte mobilité des bancs sableux, en particulier le Banc du Pineau entre les plages du Petit Nice et de la Salie.

  • Réalisation de figures en 3D

Les Modèles Numériques de Terrain (MNT) d’une résolution fine sont également un moyen d’obtenir des illustrations ou des animations permettant de communiquer sur la thématique.

Il est ici superposé (drappé) sur le MNT de hautes résolutions 2011, l’orthophotographie correspondant à la même année. Afin d’accentuer le relief, les représentations ci-dessous ont un facteur multiplicatif de 7.

Figure 4 – Orthophotographie 2011 projetée sur le MNT issu du LiDAR 2011

 

Conclusion

L’apport d’un Modèle Numérique de Terrain (MNT) de haute définition, réalisé à l’aide de technologies LiDAR, apporte une réelle plus-value pour l’observation du terrain et améliore l’analyse de phénomènes naturels.

D‘autres thématiques des géosciences sont aujourd’hui amenées à utiliser ces données pour améliorer la connaissance et les expertises : que ce soit dans le domaine des risques naturels (mouvement de terrain, éboulement de blocs de falaises), ou en hydrogéologie (identification des dolines pour caractériser les milieux karstiques).

D’autres secteurs d’activités sont également amenés à utiliser de plus en plus cette technologie, notamment dans les métiers de la construction (connaissance fine du terrain pour les fondations d’un bâtiment), l’archéologie (des traces de structures anciennes peuvent alors se révéler), l’urbanisme (représentation en 3D) ou encore la défense.

Quels que soient les secteurs d’activités et les thématiques, la démocratisation et l’accès à ces outils les rendront, à terme, essentiels pour enrichir les expertises.

 

Diffusion du RGE ALTI V2® dans le cadre de PIGMA

 

Dans le cadre du protocole d’accord entre le GIP ATGeRi et l’IGN portant sur l’hébergement et la diffusion du RGE, le RGE ALTI V2® est disponible dès à présent sur le serveur FTP PIGMA. Ce produit est accessible aux partenaires PIGMA éligibles au dispositif DCM et à « la sphère recherche et enseignement ».

 

Représentation 3D de la BD ORTHO® 50 cm drapée sur le MNT du RGE-ALTI V2® avec la couche vecteur des surfaces d’eau de la BD-TOPO®.

 

Le RGE®ALTI est composé initialement du modèle numérique de terrain (MNT) au pas de 1m et d’une précision altimétrique de 20 à 50 cm obtenue principalement par les levés LIDAR (LIght Detection And Ranging) aériens et corrélation d’images aériennes.

Sur les zones inondables et littorales, des besoins spécifiques liés à la mise en œuvre de la directive européenne inondation et aux problématiques d’aménagement et de gestion des risques ont été identifiés et requièrent une précision plus grande, de l’ordre de 20-30cm.

Le format disponible pour le MNT est le format ASCII (.asc) en projection Lambert 93.

 

Couverture géographique du RGE -ALTI V2® sur l’ex région Aquitaine.

Disponible dès à présent ici

 

N’hésitez pas à contacter l’équipe PIGMA au 05.57.85.40.42 ou contact@gipatgeri.fr pour tout complément d’information concernant la mise à disposition.