Les activités du pôle géodésie du SHOM et les références verticales maritimes (Projet BATHYELLI)

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1 Les activités du pôle géodésie du SHOM et les références verticales maritimes (Projet BATHYELLI) Gwenaële Jan, Gaël André, Raphaël Legouge, Yves-Marie Tanguy SHOM 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 1

2 Plan de la présentation Le positionnement précis au SHOM Présentation des différentes activités / critères de l OHI Besoin accru d une expertise sur le positionnement en vertical Les levés bathymétriques à BATHYELLI) l ellipsoïde (projet Présentation des références verticales maritimes Etape 1 : création des surfaces de référence Etape 2 : mise en production Applications 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 2

3 Besoins du SHOM Géoréférencement de données Instruments embarqués SBES MBES SSS SBP ADCP Gravi Topométrie Station de référence Point d appui Amers Pontons, quais, Repère de tirant d air 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 3

4 Exigences : OHI S44 Levé type Ordre spécial Ordre 1a Ordre 1b Ordre 2 Port, voies d accès Voies d accès, mouillages Plateau continental + de 100 m THU 2m 5m + 5% P 5m + 5% P 10m + 10% P TVU ~25 cm ~50 10 m ~50 10 m ~ m Détection Cube 1m +explo. complète Cube 2m +explo. complète NA NA 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 4

5 Les Moyens du SHOM Géoréférencement de données GNSS + Inertiel Augmentation GNSS RTK MarineSTAR (RTG) EGNOS (DGPS MF HF) (Naturel) Post-traitement GNSS Topométrie GNSS RTK (EGNOS) (Naturel) Post-traitement GNSS Stations Totales Niveaux 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 5

6 Les m Nadir 16 m 1 m 1 m 0,3 m m 2,3 m 1,2 m 0,33 m Limite OHI 470 m 12,5 m 7,5 m 2 m Moyen EGNOS (MarineSTAR) EGNOS (MarineSTAR) EGNOS (RTK) (MarineSTAR) RTK MarineSTAR 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 6

7 Les Problématiques Traitements GNSS difficile si Longues lignes de bases Régions pauvres en stations Incertitude attendues (très) faibles (verticale) Cinématique ~ 5 10 % des cas 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 7

8 Solutions Logiciels constructeurs? Limites Partenaires? Problématiques différentes 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 8

9 Pôle Géodésie Création d un pôle d expertise Logiciels traitements haut de gamme Connaissance fine du domaine Problématique maritime SHOM Utilisation de la hauteur ellipsoïdale 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 9

10 Pôle Géodésie Clipperton Aucune station proche 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 10

11 Pôle Géodésie Gambier (Polynésie Française) 1 point DORIS proche Aucune station proche 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 11

12 Pôle Géodésie Fujahyrah (E.A.U.) 1 station proche Liée à un traitement cinématique 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 12

13 Pôle Géodésie Toulon (France) Incertitude demandée Double traitement cinématique 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 13

14 Pôle Géodésie Côté d Ivoire (SDHM) Aucune station proche 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 14

15 Pôle Géodésie A venir : Enfoncement porteurs SHOM GOP : Katiu, Tureia GOA : Dakar, Calibration, levé / Ellipsoïde 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 15

16 Exigences : OHI S44 Levé type Ordre spécial Ordre 1a Ordre 1b Ordre 2 Port, voies d accès Voies d accès, mouillages Plateau continental + de 100 m THU 2m 5m + 5% P 5m + 5% P 10m + 10% P TVU ~25 cm ~50 10 m ~50 10 m ~ m Détection Cube 1m +explo. complète Cube 2m +explo. complète NA NA 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 16

17 Références NM PBMA ZH 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 17

18 L acquisition ZH 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 18

19 L utilisation ZH 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 19

20 Détermination du niveau de mer : Repères de marée Observatoire de marée : Composé d'un marégraphe et d'une échelle de marée, ainsi que d un ensemble de repères de nivellement, afin de conserver les niveaux de référence. Le zéro hydrographique (ZH) est défini par sa cote par rapport à des repères de nivellement (repères de marée) 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 20

21 Détermination du niveau de mer : Repères de marée Repères de nivellement (repères de marée) Nombre suffisant (au minimum 3), Suffisamment espacés pour qu ils ne puissent pas être détruits en même temps (travaux portuaires), Cotés par nivellement géométrique les uns par rapport aux autres et rattachés au nivellement général (IGN69), 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 21

22 Détermination du niveau de mer : Repères de marée Principaux problèmes : Déplacement ou destruction des repères Au large, pas de repères, accès au zéro hydrographique plus difficile et peu précis 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 22

23 Repères de marée Repères géodésiques «La cote du zéro hydrographique dans chaque zone de marée doit être définie à la côte par le service hydrographique et océanographique de la marine dans les systèmes de référence altimétriques (...)» 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 23

24 Détermination du niveau de mer : Repères géodésiques Ellipsoïde : référence stable, précise et accessible Rattachement ZH / ellipsoïde Système de référence altimétrique RGF93 Rattachement systématique à l ellipsoïde (GRS80) Station de surveillance du niveau de la mer : colocalisation marégraphe + GPS 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 24

25 Détermination du niveau de mer : Levés / Ellipsoïde ZH Ellipsoïde 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 25

26 Détermination du niveau de mer : Bouée GNSS 2 prototypes Applications NM / Ellipsoïde Contrôle Marégraphe REA Validation BathyElli 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 26

27 Détermination du niveau de mer : Bouée GNSS Déploiement 03/2012 Ile d Aix 05/2012 Fujahyra 10/2012 Penfeld 2014 Arcachon 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 27

28 Détermination du niveau de mer : Bouée GNSS Caractéristiques 2,5 m² 65 kg Hauteur 1 m Autonomie ~ 10 j Equipement Récepteur bifréquence Antenne géodésique 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 28

29 Détermination du niveau de mer : Bouée GNSS Bouée GNSS aussi précise que les marégraphes radars de référence à Brest 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 29

30 Détermination du niveau de mer : Bouée GNSS Ile d Aix 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 30

31 Détermination du niveau de mer : Bouée GNSS Ile d Aix Résultats Biais = 1 cm Incertitude = 1.43 cm Dispersion = 2.96 mm Problème Entre 21h30 et 23h30 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 31

32 Détermination du niveau de mer : Bouée GNSS Evolutions Augmentation autonomie Augmentation allonge télécommunications Multi-constellation Cadence d acquisition 03/04/2013 JIST, 1 - Activités du pôle géodésie 32

33 Plan de la présentation Le positionnement précis au SHOM Présentation des différentes activités / critères de l OHI Besoin accru d une expertise sur le positionnement en vertical Les levés bathymétriques à l ellipsoïde (projet BATHYELLI) Présentation des références verticales maritimes Etape 1 : création des surfaces de référence Etape 2 : mise en production Applications

34 Point de départ : Références verticales maritimes BATHYELLI = BATHYmétrie rapportée à l ELLIpsoïde 1. Mise en place de modèles (surfaces) de référence verticale en métropole 2. Outil permettant le changement de référence verticale Niveau Moyen (NM) fusionné / période de mesures marégraphiques Niveau d équilibre (NM) / période d altimétrie spatiale IGN69 Géoïde Niveau des Plus Basses Mers Astronomiques (PBMA) Zéro Hydrographique (ZH) Ellipsoïde (IAG GRS80) Création des surfaces NM, PBMA, ZH / ellipsoïde Simple projection pour IGN69 (RAF98) ou géoïde (EGG97)

35 Calcul du zéro hydrographie via Bathyelli Le jeu de données Détermination du niveau moyen A la côte : Marégraphie : Analyse des observations de marée Au large : Altimétrie spatiale Dégradation de la SMH près des côtes : Perte de précision liée aux limitations techniques de l altimétrie. Entre ces 2 zones : Mesures GPS en mer pour combler le «trou» de données valides Interpolation de ces 3 sources de données Clef de voûte = ZH Tri techniques, rendues cohérentes entre elles.

36 Produits final : zéro hydro sur une ellipsoïde Ramener les zéros hydro sur GRS80 (ref ITRS dans RGF93) Calcul rapide quand le SHOM veut changer de niveau de référence. Info: pour traiter sondages, il faut 51sec de cpu

37 Objectif : Levé bathymétrique à l ellipsoïde Sondeur Levé classique Z ZH = Profondeur Météo Marée Profondeur Pas de corrections météo et marée Effets météo Marée Z ZH C : capteurs de mouvements Levé avec GPS Z ellipsoïde = (Hauteur GPS C) Profondeur Hauteur GPS ZH / ellipsoïde Z ZH =ZH - Z ellipsoïde Pas de pose de marégraphe pendant la session de mesure Donné par Bathyelli Z ZH SURFACE DE L EAU Z ellipsoïde ZERO HYDRO Profondeur ellipsoïde ITRS Sondeur Intérêt de Bathyelli Utilisation du GPS pour la réalisation des sondages Plus besoin de corrections de marée ni météo Plus besoin de poser un marégraphe pendant la session de mesure

38 Construction de la grille ATLANTIQUE ET MANCHE

39 Grille de référence Mer Méditerranée points de grille

40 Le jeu de données Exploitation des mesures alti Altimétrie spatiale Surface Moyenne Hydrographique de départ Source image fond : CNES Smh/ GRS80 (source CLS) Topex-Poséidon, ERS Erreur associée Smh/ GRS80 seuillée à 5cm (Source CLS)

41 Une fois la SMH alti construite : Précaution de calcul: Homogénéisation des échelles de temps des diverses mesures (GPS, Altimétrie, marégraphes) Pour fusionner ces différents types de mesures, il faut rester cohérent dans le conditionnement des mesures. Il faut fixer des critères communs comme la période de référence. Méthode : T référence ici, en Atlantique Manche (référence ici : Période altimétrie) pour la zone Méditerranée. Il faut noter que les levés GPS ont été réalisés après cette période altimétrique. Calcul de l écart entre niveaux moyens respectifs, pour projeter les niveaux moyens GPS (généralement représentatifs de quelques jours, le temps de la campagne de mesures en mer) sur l espace temporel de référence (Figure 1: Homogénéisation de la mesure GPS). Période longue A La différence entre la mesure marégraphe basse fréquence et le niveau moyen de référence est soustraite de la mesure basse fréquence du GPS. Hauteur de mer 1 3 ❶ Niveau moyen série I sur période A ❸ On en déduit la correction ε pour passer de la période B à la période A ε ε 2 ❷ Niveau moyen série I sur période B Figure 1: Schéma explicatif du traitement de la donnée GPS pour homogénéiser les mesures sur la période de la SMH altimétrique 5 ❺ Calcul du niveau moyen série II rapporté à la période A (application de la correction ε) Temps Série temporelle I sur longue période A Période courte B ❹ Niveau moyen série II sur période B Série temporelle II sur courte période B 4

42 Traitement des mesures altimétriques en Méditerranée Missions = Topex-Poseidon, Jason-1, Envisat, GFO et Topex 2 (orbite décalée) Mission de référence = Topex-Poseidon en Mer Méditerranée. Traitement de Topex (1488 mesures) 1. Découpage en 19 profils rectilignes 2. Ajustement d un biais par profil aux points de croisement Traitement des missions Jason -1, GFO, Topex 2 et EnviSat 1. Découpage en profils rectilignes 2. Ajustement d un biais + pente par profil aux points de croisement avec les profils Topex ajustés.

43 Dernière étape de la construction de la SMH purement altimétrique en mer Méditerranée Ajustements ont été réalisés pour les satellites :Topex-Poseidon (1 et 2), Jason-1, GFO, EnviSat Mesures TOPEX après ajustement. Ecarts des mesures ENVISAT aux points de croisement avec TOPEX avant ajustement. Fusion des SMH côtières et altimétriques En mer Méditerranée En Atlantique et Manche Intégration des programmes de calculs des niveaux de références dans l outil final.

44 Méthodologie des levés GPS Bathyelli Pour chaque site : Station de référence au marégraphe Positionnement précis du marégraphe en He Acquisition GPS de minimum 24h, recommandation à 48h => Calibration de site Station GPS de référence installée au marégraphe Calcul précis de la hauteur d antenne du navire, avec prise en compte de l enfoncement dynamique Navire à l arrêt à proximité du marégraphe => Calibration statique Navire à proximité du marégraphe et à la vitesse du levé (selon taille du bateau) => Calibration dynamique du porteur Levés réalisés par les groupes à vitesse constante ~15 Nm autour du marégraphe ( double différence) ~ 3 jours de levés Acquisition des bruts GNSS (1Hz) et de l attitude du porteur (200Hz)

45 Méthodologie des levés GPS Bathyelli Traitement et validation des levés GPS Post-traitement PPK (outil de production type LGO outil scientifique type GAMIT) Filtrage des données Correction d attitude (roulis, tangage, pilonnement) Correction de la hauteur d antenne ET marée / surcotes : outil de réduction temporelle et spatiale de type MASG2 Évaluation de la qualité du levé précision = moyenne/écart-type des différences aux points de croisement cohérence du levé = différence entre le NM du marégraphe et le NM mesuré par GPS à proximité du marégraphe Détermination du Niveau Moyen / ellipsoïde

46 Exploitation des levés GPS Bathyelli Point de départ = profils GPS =Marégraphe disponible Vers une SMH GPS: - Techniques de minimisation des écarts aux points de croisement. -Travail sur résidus de hauteur GPS. -Optimisation du calcul pour conditionner les matrices à inverser lors de la création de la SMH GPS. Source SHOM Nb de pts Min [m] Max [m] Moyenne [m] Ecart-type [m] Distance intra profil [m]

47 Méthode de fusion des SMH GPS/ALTI SMH GPS INTERPOLATION OPTIMALE SMH ALTI INTERPOLATION OPTIMALE : Définition de la sélection des observations Définition des covariances Définition de la validation

48 Principe de la méthode de fusion de données Interpolation optimale sur des ensembles d observations différents Hypothèse : L altimètre est la référence et donne les variations grandes échelles. Le GPS donne les variations courtes échelles, la haute fréquence de la hauteur de mer

49 Méthode de fusion des SMH GPS/ALTI Définition de la sélection des observations (SMH GPS et SMH ALTI) But de la recherche: «raccorder» les SMH GPS avec la SMH ALTI On définit la zone de raccord (0) On définit la zone GPS valide (1) On définit la zone ALTI valide (2) Etape de fusion uniquement dans la zone de raccord en utilisant les obs. des zones valides. CAR il n est pas possible de faire de l interpolation optimale avec des observations co-localisées présentant des différences > cm avec chacune des incertitudes de quelques cm. (Techniquement possible mais le résultat présente une discontinuité autour de chaque zone GPS => non réaliste)

50 Méthode de fusion des SMH GPS/ALTI Définition de la sélection des observations (SMH GPS et SMH ALTI) Définition de la fonction de covariance Pour chaque point de grille appartenant à la zone de raccord, la fusion est réalisée en sélectionnant les obs. (SMH GPS ET ALTI) appartenant aux zones valides et contenues dans les bulles d influence. Les rayons des bulles d influence sont RADGPS et RADALTI (définis automatiquement dans BATHYELLI (1.1 fois la largeur de la zone de raccord) ou par l utilisateur)). GPS VALIDE ALTI VALIDE

51 Interpolation optimale sur des ensembles d observations différents Vérification de cohérence entre SMH ALTI et SMH GPS Différence entre SMH GPS et SMH ALTI pour BREST Différence entre SMH GPS et SMH ALTI pour BAYONNE

52 Résultat de la fusion Atlantique: Bayonne, Brest, Cap Ferret, Concarneau, Le Havre, Sables d Olonnes, Saint Malo, Saint Nazaire

53 Synthèse Résultats BATHYELLI

54 Synthèse Exploitation des surfaces de référence. Ex à Brest

55 Précaution sur l ellipsoïde de référence ITRS (International Terrestrial Reference System) devrait être utilisé pour toute application qui requiert une précision meilleure que le mètre. WGS84, autre système de référence du GPS, plus populaire. L ITRS est réalisé à partir d une couverture géographique très dense de plusieurs centaines de points, contre seulement une vingtaine pour le WGS84, et à l aide de différentes techniques (VLBI, SLR, GPS, DORIS), contre une seule pour le WGS84 (GPS). RGF93 réalisation française de l ITRS (aussi appelé GRS80). Le GRS80 (dans la réalisation géodésique RGF93) est différent de WGS84 dont la précision < 1 m. Pour les études SHOM en hydro, il est recommandé d utiliser GRS80 ( RGF93 )

56 Étape 2 : validation/amélioration des surfaces, mise en production Fin 2009 fourniture par l industriel Noveltis : la chaîne logicielle de fusion de données «SurfRefSoft» => Version 0.0 des surfaces Bathyelli avec 11 levés GPS intégrés Fin 2011 lancement de l étape 2 pour valider et améliorer les surfaces Bathyelli 7 levés GPS intégrés en levés GPS (Calais et Toulon) à intégrer en 2013 => Version 1.0 des surfaces Bathyelli avec un objectif de diffusion du ZH/ell pour le 2 e semestre 2013 Amélioration continue : 3 levés GPS additionnels au minimum en 2013 éventuelle reprise des traitements GPS => Version 2.0 des surfaces Bathyelli

57 Étape 2 : mise en production mais expertise indispensable Hauteurs ellipsoïdales (m) zoomés sur un profil du levé Toulon : aberrations métriques en PPK sur certaines portions Logiciel de référence Logiciel constructeur hybridation n 1 Logiciel constructeur GPS n 1 Nécessité d une expertise pour valider de manière indépendante les résultats en He donnés par les outils de production sur étagère Le SHOM s oriente sur solution d hybridation (GNSS/inertiel) pour les calculs de He de ses navires : POSPac pour la centrale POS-MV d Applanix DelphINS pour l Hydrins d IXsea

58 Étape 2 : mise en production mais expertise indispensable Deux systèmes utilisés en // sur Bathyelli Le Crouesty et Saint-Quay : Leica 1200 et POSMV 6.1cm d erreur sur les hauteurs ellipsoïdales fournies par défaut par POSPac! Absence de définition d antenne IGS (antex) pour la TRM Dans tous les cas, TRM57970 utilisée en UE. Nécessité de fortement dialoguer avec l industriel : composante verticale encore peu usitée en navigation

59 Étape 2 : mise en production mais expertise indispensable Hauteurs ellipsoïdales (m) obtenues par POSPac MMS v6.1 en mode IN-Fusion Smart Base (Virtual Reference Station) et IN-Fusion PPP Axes du SHOM pour la production de levés bathymétriques référencés à l ellipsoïde : comparaison des différents modes de couplage et de traitements beaucoup d espoirs fondés sur l utilisation du PPP («zéro différence») : (premiers essais assez décevants en He sur les levés Bathyelli) => outil scientifique GINS (CNES) enfoncement dynamique pilonnement «vrai» (= TD)

60 Applications : levé classique levé bathymétrique rapporté à l ellipsoïde La technique classique consiste à appliquer une réduction de marée et surcote atmosphérique mesure sondeur marée Sonde carte marine Zéro hydrographique /!\ Technique nécessitant souvent le mouillage de marégraphes (par navire, par plongeurs) sur zone Ex de profils bathymétriques avec une marée différente /!\ Mauvaise marée : «marches d escalier» Extrait d un levé GPS pour BATHYELLI Illustration d une série GPS mal corrigée

61 Applications : levé classique levé bathymétrique rapporté à l ellipsoïde Levé classique Z = Hauteur d eau Marée Surcote Levé GPS Z/ellipsoïde = Hauteur GPS Hauteur d antenne Hauteur d eau Z = Z/ellipsoïde ZH/ellipsoïde Hauteur d antenne Hauteur d eau Corrections marée/surcote Hauteur GPS Hauteur d eau ZH ZH Z ZH / ellipsoïde Z Ellipsoïde Ellipsoïde Z/ellipsoïde Pas de correction marée et météo

62 Applications : surface de compensation simple constante

63 Applications : surface de compensation simple constante

64 Applications : levé GDM à l ellipsoïde Profondeur moyenne : 40m Profondeur max : 55m 20cm de différence, sans prise en compte de la définition d antenne Différence entre levé classique (réduction de la marée) et levé à l ellipsoïde

65 Applications : levé à l ellipsoïde par laser aéroporté Levé Litto3D Finistère 2012 Données brutes cotées à l ellipsoïde Ajout des niveaux de mer Application de Bathyelli sur l Ile de Sein PHMA Trait de côte, simulation PBMA Cartographie GRS80 (exagération verticale = 60)

66 Levés référencés / ellipsoïde Photogrammétrie Modélisation hydrodynamique Ellipsoïde zéro hydro Ellipsoïde zéro hydro Zéro hydro géoïde ou niveau moyen Modèle continu terre-mer Applications IGN69 Ellipsoïde Zéro hydro IGN69 Zéro hydro IGN69 Axe de développement «levé bathymétrique sans déploiement à terre» : Incertitude sur modèle global de géoïde Capteurs dédiés (bouée) Traitement PPP Zéro hydro Niveaux extrêmes, aménagement littoral Zéro hydro IGN69

67 Étape 2 : diffusion, logiciel de changement de référence verticale ENTREPOT (data.shom.fr) : bathymétrie disponible depuis le 1 er février 2013 Service de changement de référence verticale (développé par Atos) en cours de validation (mise à disposition grand public ZH/ell, abonnement) Convergence avec IGN-SHOM sur le logiciel Circé v5 Décret n du 27 octobre 2011 pour l IGN : mi ssion de «gestion du système national de référence [ ] altimétrique» Décret n du 3 mars 2006 pour le SHOM : miss ion de «diffusion des cotes des Zéros Hydrographiques dans les systèmes de référence altimétriques légaux». Le SHOM assure aujourd hui la diffusion au travers du produit RAM ( Références Altimétriques Maritimes ) => ponctuel (au niveau des ports) Avec BATHYELLI => surfacique (en métropole et hors estuaire)

68 QUESTIONS?