GPS/DGPS. Des outils pour l ingénieur. Grellier Séraphine

Transcription

1 GPS/DGPS Des outils pour l ingénieur Grellier Séraphine Janvier 2006

2 Introduction Pourquoi le GPS/DGPS? Origine du GPS (Global Positionning System ou Differential GPS)

3 Plan I. Comment fonctionne un GPS? 1) Rappel de notions géophysiques 2) Vision globale du système 3) Principe de fonctionnement 4) Les sources d erreurs VII.L intérêt du DGPS: un exemple concret en Thaïlande 1) Qu est-ce que le DGPS? 2) Contexte d une étude bathymétrique 3) Apport du DGPS dans la bathymétrie XII. Utilisations et limites du DGPS 1) Cartographie, topographie: exemple dans le nord est de la Thaïlande 2) MNT: Modèle Numérique de Terrain 3) Avantages/inconvénients

4 I. Comment fonctionne un GPS? 1) Rappel de notions géophysiques: Le Géoïde: surface, normale en tous points à la verticale, dont la pesanteur est constante Forme visible: niveau moyen des mers Modèle mathématique: ellipsoïde

5 1) Rappel de notions géophysiques: Géodésie, Systèmes La géodésie est la science de la forme et de la dimension de la Terre et de son champ de pesanteur. Système géodésique: Système de coordonnées: localise un point à la surface de la terre Ellipsoïde (WGS84) Projection (UTM)

6 2) Vision globale du système: Secteur ESPACE Secteur CONTROLE Secteur UTILISATEUR

7 1) Rappel de notions géophysiques: Relation entre le géoïde, l ellipsoïde et le satellite:

8 2) Vision globale du système: 1 secteur : ESPACE er

9 2) Vision globale du système: Positionnement des satellites: 24 Satellites à km d altitude Sur 6 orbitales planes Angle: 55 degrés de l Équateur Décalées de 60 degrés (60*6=360 degrés)

10 2) Vision globale du système: Positionnement des satellites au temps t

11 2) Vision globale du système: 2 ième secteur: contrôle

12 2) Vision globale du système: Les 5 Stations Colorado Springs Hawai Island Ascension Island Diego Garcia Archipelago Marshall Island

13 2) Vision globale du système: 3 secteur : UTILISATEURS ième

14 2) Vision globale du système: Applications courantes

15 3) Principe de fonctionnement Emission d un signal codé: Code P et C/A porté par les phases L1 et L2

16 3) Principe de fonctionnement Mesure de la distance entre satellite et récepteur: D=V*T

17 3) Principe de fonctionnement 3 SATELLITES?

18 3) Principe de fonctionnement Au moins 4 satellites! Problème d horloges:

19 3) Principe de fonctionnement Méthode mathématique: 4 satellites sont nécessaires (4 équations) pour résoudre le système de coordonnées X,Y,Z et T, le temps mis par le signal

20 4) Les sources d erreurs: Propagation dans l atmosphère Les trajets multiples

21 4) Les sources d erreurs: La position relative des satellites

22 Plan I. Comment fonctionne un GPS? 1) Rappel de notions géophysiques 2) Vision globale du système 3) Principe de fonctionnement 4) Les sources d erreurs II. L intérêt du DGPS: un exemple concret en Thaïlande 1) Qu est-ce que le DGPS? 2) Contexte d une étude bathymétrique 3) Apport du DGPS dans la bathymétrie XII. Utilisations et limites du DGPS 1) Cartographie, topographie: exemple dans le nord est de la Thaïlande 2) MNT: Modèle Numérique de Terrain 3) Avantages/inconvénients

23 II. L intérêt du DGPS: un exemple concret en Thaïlande 1) Qu est-ce que le DGPS? Differential Global Positioning System

24 1) Qu est-ce que le DGPS? 2 Récepteurs: Fixe Mobile

25 1) Qu est-ce que le DGPS? Pourquoi une telle précision? 1 satellite, 2 stations 4 satellites, 2 stations

26 1) Qu est-ce que le DGPS? 2 possibilités En temps réel Post traitement

27 2) Contexte d une étude bathymétrique

28 2) Contexte d une étude bathymétrique Une problématique Remplissage du réservoir par les sédiments et diminution de la capacité de stockage et de la durée de vie du réservoir

29 2) Contexte d une étude bathymétrique Vue de profil du micro bassin Altitude 1800m A Bassin de Mae Thang 400m Reservoir B C 300m A B Forêts, choux, maïs Soja, maïs, haricot Surface irriguée C Pisciculture et activités touristiques D Riz, maïs, haricot D

30 Date 27-Dec Nov Oct Sep Aug Jul Jun May-04 1-May-04 1-Apr-04 2-Mar-04 1-Feb mm de pluie par an 2-Jan-04 Rainfall Amount (mm) 2) Contexte d une étude bathymétrique Pluviométrie

31 2) Contexte d une étude bathymétrique Déforestation + Labour + Forte pente

32 2) Contexte d une étude bathymétrique = belle ravine! (glissement de terrain)

33 3) Apport du DGPS dans la bathymétrie Calcul du volume de sédiments accumulés pour connaître la durée de vie du réservoir

34 3) Apport du DGPS dans la bathymétrie Méthodologie: Mesure du volume d eau du réservoir par bathymétrie Comparaison avec le volume d eau théorique obtenu par la courbe de remplissage du réservoir Obtention du volume de sédiments accumulés Volume eau théorique - Volume eau mesuré= quantité de sédiments

35 3) Apport du DGPS dans la bathymétrie Matériel: Mesure de la profondeur: échosondeur Mesure des coordonnées x,y: GPS (ou DGPS) Traitement des mesures: ordinateur + Maxsea Traitement des données: Surfer pour construire le MNT et calculer le volume de sédiments

36 3) Apport du DGPS dans la bathymétrie Résultats avec un GPS Volume d eau observé: m3 Volume d eau théorique: m3 MNT Surfer Volume de sédiments: m3 11% du volume du réservoir

37 3) Apport du DGPS dans la bathymétrie Incertitudes et interprétations Imprécision en profondeur: <3% Imprécision en coordonnées horizontales: GPS 7m 3 possibilités: Erreur toujours dans le même sens Décalage horizontal des profils ± 7m Configuration des profils pas décalé, mais les limites du lacs le sont

38 3) Apport du DGPS dans la bathymétrie Cas extrêmes:

39 3) Apport du DGPS dans la bathymétrie Limites décalées vers l extérieur Air bleue: 14m² Volume d eau: m³ +1,8% du volume total

40 3) Apport du DGPS dans la bathymétrie Limites décalées vers l intérieur Aire bleue: 105 m2 Volume d eau: m³ -13,6% du volume total

41 3) Apport du DGPS dans la bathymétrie Comparaison avec la méthode Surfer Volume d eau trouvé m3 Volume recalculé erreur m3 13,16% Résultats sur les sédiments Volume de Volume recalculé sédiments trouvés m m3 erreur 66%

42 3) Apport du DGPS dans la bathymétrie Nécessite du DGPS Obtenir des résultats fiables Estimer correctement le volume de sédiments Prédire la durée de vie du barrage Faire un bon état des lieux de l érosion du bassin versant Calcul d erreur avec 10cm d imprécision du DGPS: 0,13% erreur

43 Plan I. Comment fonctionne un GPS? 1) Rappel de notions géophysiques 2) Vision globale du système 3) Principe de fonctionnement 4) Les sources d erreurs VII. L intérêt du DGPS: un exemple concret en Thaïlande 1) Qu est-ce que le DGPS? 2) Contexte d une étude bathymétrique 3) Apport du DGPS dans la bathymétrie XII.Utilisations et limites du DGPS 1) Cartographie, topographie: exemple dans le nord est de la Thaïlande 2) MNT: Modèle Numérique de Terrain 3) Avantages/inconvénients

44 Utilisations et limites du DGPS

45 1) Cartographie, topographie: exemple dans le nord est de la Thaïlande La zone d étude: une vision globale nécessaire Couvrir la zone entière: délimitation Position de la base

46 1) La cartographie: exemple dans le nord est de la Thaïlande Prévoir le schéma de travail: Le pire: longer les lignes de niveau Le mieux: suivre les lignes de plus grande pente Le quadrillage est presque indispensable 2 paramètres: précision, temps

47 1) La cartographie: exemple dans le nord est de la Thaïlande Le relevé: prendre des points Point Topo: cas de points particuliers création de couches Hydrologie Equipement Anthropisation Végétation Altitudes Topo continue: points globaux

48 2) MNT: Model Numérique de Terrain Définition : Représentation de la topographie d'une zone terrestre sous une forme adaptée à son utilisation par un calculateur numérique (ordinateur). Digital Elevation Model (DEM)

49 2) MNT: Model Numérique de Terrain Intérêt: de reconstituer une vue en images de synthèse du terrain, de calculer des surfaces ou des volumes. de tracer des profils topographiques. d'une manière générale, de manipuler de façon quantitative le terrain étudié.

50 2) MNT: Model Numérique de Terrain Interpolation Interpolation à partir de points : "gridding": interpolation de points distribués aléatoirement pour donner des valeurs régulièrement distribuées Elevation (m) MNT de la zone de Muang Pia

51 3) Avantages/inconvénients Avantages Précision Inconvénients Complexité du DGPS Véritable ordinateur: Prix nombreuses possibilités (différents types de relevé) Traitement avec TGOffice: Installation et démarrage travail sur les données long Poids: lourd Encombrant Distance base-mobile limitée Points de référence remplace la base

52 Conclusion GPS: Global Positioning System Nécessite au moins 4 satellites Mesure la distance entre satellites et récepteur puis triangulation: coordonnées du point Erreur dans le trajet des ondes Besoin de 2 récepteurs pour obtenir une bonne précision: DGPS Système Galileo: un système pour l Europe et le monde?

53

54

55

56 Bibliographie Le GPS: e.html MNT: UTM: Trimble: Geodesy: Galileo: Thomas Richard, Guide pratique d utilisation de la station GPS 5700/5700 ou 5700/5800 Migraine J.B., L érosion a l échelle d un bassin versant expérimental : pertinence des mesures et intérêt de la modélisation comme outil d analyse. Mémoire de fin d étude présenté pour l obtention du diplôme de l ISTOM. Luc J.P., Manifestations et impacts de l érosion d un petit bassin versant du nord Thaïlandais a une ravine. Mémoire de fin d étude présenté pour l obtention du diplôme de l ISTOM. Mégrelis E Etude de la sédimentation et de la dégradation de la qualité de l eau dans des lacs de retenue, nord de la Thaïlande. Mémoire de fin d étude présenté pour l obtention du diplôme de l ISTOM. Bouteloup D, Cours de Géodésie, chapitre 8: systèmes géodésiques, transformations de coordonnées. IGN/ENSG (Ecole Nationale des Sciences Géographiques)

57 ANNEXES

58 Le Géoïde Pesanteur: gravité gravitationnel et force centrifuge Variation dépend de la localisation sur la terre

59 1. Distance a parcourir Exemple: Surface: 1km2 Trajet: 4h par jour Pendant 4 jours A 3km/h 48 km, presque 50km 1km 1km Transec tous les 40 mètres

60 Carte des zones UTM dans le monde

61 1) Rappel de notions géophysiques: Interêt des coordonnées UTM Système métrique en base 10 Système rectangulaire et en kilomètres Attention aux changements de zones

62 2) Contexte d une étude bathymétrique Situation géographique bnm Chiang Mai Khon Kaen Bangkok Zone d étude: Bassin versant de Mae Thang Phrae Lac Mae Thang

63 2) Contexte d une étude bathymétrique Principales caractéristiques du réservoir: Air du bassin versant de Mae Thang: 100 km2 Pluviométrie annuelle : mm Capacité de stockage du réservoir : 35 millions m3 Surface du réservoir : 202 ha Profondeur maximum : 43 m Surface irriguée : ha