Avant propos : Remerciements : Contraintes géométriques et topographiques pour la tomographie des édifices volcaniques

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1 Avant propos : Le Travail de Fin d Étude (TFE) s est déroulé au Laboratoire Magmas et Volcans (L.M.V.), laboratoire du CNRS intégré à l Observatoire de Physique du Globe de Clermont-Ferrand (OPGC), au sein de l équipe de volcanologie. Il vient sanctionner mon diplôme d ingénieur. Ce T.F.E. a eu pour objectif principal de fournir une méthodologie de détermination et d observation de la position et l orientation d un détecteur de particules élémentaires de haute énergie, les muons, par rapport à un édifice volcanique dans le cadre du projet TOMUVOL (TOmographie par MUons atmosphériques appliquée au VOLcan). Ce projet TOMUVOL est porté par le Laboratoire Magmas et Volcans et par le Laboratoire de Physique Corpusculaire, laboratoires de l Université Blaise Pascal de Clermont-Ferrand (U.B.P.). Dans le cas précis de notre étude, le site expérimental est le Puy-de-Dôme. Ce site a également fait l objet, au printemps 2011, d une couverture LiDAR, dont les délivrables sont en cours d élaboration par le prestataire. La deuxième partie de ce travail a consisté à programmer des algorithmes de traitement des données brutes (nuages de points) et élaborées (Modèle Numérique de Terrain). Ces programmes ont été intégrés dans une chaîne de contrôle du levé LiDAR, et testés à partir de quelques zones sélectionnées pour cette étape de validation. Remerciements : Mes remerciements vont en premier lieu à Philippe Labazuy, mon maître de stage qui m a accueilli au Laboratoire Magmas et Volcans afin d effectuer mon travail de fin d étude et m a fait découvrir le monde de la recherche mais aussi pour l autonomie qu il m a laissé tout en me recentrant lorsque cela était nécessaire. Je tiens aussi à remercier l ensemble de personnes du projet TOMUVOL et plus particulièrement Cristina Carloganu, responsable de projet, François Daudon, coordinateur technique, Felix Fehr, post-doct travaillant exclusivement sur le projet TOMUVOL et Bogdan Vulpescu. Ces personnes m ont fourni toutes données dont j avais besoin quand cela se fait sentir. Ils ont également été à mon écoute et très réactifs lorsque certains soucis se présentaient à moi. Je n oublie pas Jean-François Fournol, Christian Reymond et Yoann Gardes qui grâce à leurs expertises m ont permis de faire mes mesures dans les meilleures conditions et dans les délais impartis. Je tiens aussi à adresser mes remerciements à Thierry Souriot, qui a toujours répondu présent pour effectuer les mesures topographiques mais qui m a aussi été d une grande aide pour la programmation d un logiciel en langage C. A Jean-Luc Froger, mon voisin de bureau, qui m a permis de ne pas perdre de temps dans la programmation. A Pierre Boivin, qui par sa connaissance très précise du volcan puy de Dôme m a permis de ne pas trop gamberger sur les zones à lever par scan terrestre. Enfin mes remerciements s adressent aux différentes personnes qui par leurs prêts de matériels topographiques m ont permis de mener à bien mon travail de fin d étude. Plus particulièrement Ms Durand et Morel, enseignants chercheurs de l ESGT, Olivier Voldoire, assistant ingénieur au laboratoire Geolab de Clermont-Ferrand et à l équipe Trimble-Geotopo pour son prêt de la station totale scan VX En quelques mots : «Un grand et chaleureux merci» TREFOND Vincent TFE 2011 Page 1 sur 55

2 Introduction : Pour les volcanologues, connaître les structures internes d un volcan ainsi que leurs déformations est une chose importante, pour la compréhension des mécanismes et des modalités de formation des volcans. De telles connaissances permettent la surveillance des volcans actifs et par suite les prévisions d éruptions volcaniques. Aujourd hui, les méthodes utilisées sont nombreuses et variées, citons par exemple, la sismologie, la gravimétrie, la tomographie de résistivités électriques et l électromagnétisme. Ces méthodes géophysiques donnent des résultats qui permettent de connaître la structure interne des volcans, avec des paramètres indépendants, comme la fracturation, la densité, la résistivité électrique,, selon des maillages d une résolution pluri-décamétrique à hectométrique, en règle générale. La profondeur d investigation de ces différentes méthodes dépend notamment de l étendue des dispositifs de mesure ou des réseaux d instruments, sur le terrain. L objectif du projet TOMUVOL est lui aussi de connaître la répartition des masses internes d un volcan, avec la plus grande résolution possible et si possible plus importantes que les méthodes utilisées aujourd hui. Ainsi, dans un premier temps d expérimentation le projet TOMUVOL a pour but de créer une radiographie d un volcan et dans un second temps de créer un modèle tridimensionnel de structure interne (tomographie) en ayant plusieurs points de vue du volcan. La radiographie d un volcan ressemble d assez près à une radiographie de la main ou du genou, où un émetteur envoie des particules traversant la partie du corps, particules qui sont ensuite détectées par un récepteur. Connaissant le flux émis et le flux reçu, il est possible de créer une carte représentant cette différence de flux en fonction de la trajectoire suivie, l atténuation du flux étant due à la traversée de matière plus ou moins absorbante (les os par exemple). Il en est de même pour une radiographie d un volcan mais au lieu d utiliser un émetteur de particules, la méthode s appuie sur la détection de particules de haute énergie présentes dans l atmosphère qui proviennent de la collision du rayonnement cosmique et de celle-ci, les muons, dont le flux est connu dans toutes les directions. De plus, ces muons ont la propriété de pouvoir traverser plusieurs hectomètres voire plusieurs kilomètres de roches avant leur désintégration tout en conservant une trajectoire rectiligne au cours de leur traversée des matériaux rocheux. L atténuation d énergie ou la disparition des muons est fonction de la distance et de la densité des roches traversées. Le récepteur (=détecteur à muons) est quant à lui basé sur le comptage et la reconstruction des trajectoires grâce à trois plans de détection juxtaposés. Ainsi, connaissant le flux arrivant sur l édifice volcanique et le flux arrivant sur le détecteur en fonction des différentes trajectoires, il est possible de reconstruire une radiographie du volcan. Compte tenu des caractéristiques techniques de la méthode, il TREFOND Vincent TFE 2011 Page 2 sur 55

3 apparaît donc que la reconstruction des masses internes ne pourra pas être faite au-dessous du niveau altimétrique du détecteur, car les trajectoires de muons sont descendantes. Ce projet est porté par deux laboratoires de l Université Blaise Pascal de Clermont- Ferrand dont les compétences sont exceptionnellement réunies dans l agglomération clermontoise : Le Laboratoire de Physique Corpusculaire (LPC) dont les connaissances sur la création de détecteurs de particules à hautes énergies sont importantes car ce laboratoire travaille sur un projet d envergure, le projet ANTARES, dont l'objectif est de construire le premier télescope sous-marin à neutrinos cosmiques de très haute énergie. Le Laboratoire Magmas et Volcans (LMV) dont les connaissances sur les volcans sont reconnues grâce à différents projets d importance tels que HOTVOLC, système d observation et de surveillance de l activité des volcans par satellites (suivi des crises récentes des volcans islandais en 2010 et 2011) ou le Laboratoire d Excellence CLERVOLC (Centre clermontois d étude du risque volcanique), un des lauréats du Grand Emprunt National. C est donc dans ce contexte que s est déroulé mon Travail de Fin d Etude. En étant intégré à ce projet, au sein du Laboratoire Magmas et Volcans, j ai participé à la première expérimentation de radiographie d un volcan, le puy de Dôme, en France métropolitaine. Des réalisations similaires ont déjà été réalisées dans le monde mais pas avec un tel niveau de détail. Par exemple, une équipe japonaise a déjà expérimenté cette technique avec une résolution hectométrique, alors que l objectif visé par le projet TOMUVOL est d atteindre une résolution décamétrique, ou mieux, qui permettra d obtenir une connaissance très fine des structures et de la géométrie interne du volcan. Le volcan puy de Dôme a été choisi de part sa situation géographique, proche des laboratoires travaillant sur le projet, ce qui permet de réduire le financement des missions de terrain et facilite les interventions sur site, en cas de problèmes techniques. D autre part, le puy de Dôme présente une structure complexe, avec deux dômes juxtaposés, ce qui devrait permettre d obtenir une carte densitométrique très contrastée et permettre ainsi la validation de l expérience de tomographie muonique. Mon travail au sein de ce projet est décomposé en deux parties distinctes. La première a consisté à déterminer la position du détecteur par rapport au volcan, avec la meilleure précision possible, afin de permettre la reconstruction des trajets des muons dans l édifice. La seconde a permis de qualifier la qualité du nuage de points et du MNT acquis par technique LiDAR aéroporté. Ces données topographiques de grande précision (décimétrique) et de résolution élevée (inframétrique) fourniront le nouveau modèle géométrique de l enveloppe du puy de Dôme, qui sera intégré dans les modèles d inversion des données géophysiques, afin de déterminer les structures internes du volcan. TREFOND Vincent TFE 2011 Page 3 sur 55

4 Sommaire : 1. Présentation générale du contexte : Présentation des différentes partenaires : Présentation du Laboratoire Magmas et Volcans (LMV) : Présentation du Laboratoire de Physique Corpusculaire (LPC) : Présentation de l Observatoire Physique du Globe de Clermont-Ferrand (OPGC) : Présentation du projet TOMUVOL : TOmographie avec des MUons atmosphériques appliqué aux VOLcans Les muons atmosphériques : Le principe de détection : Composition des plans de détection : Système de détection : Transfert des données : Positionnement du détecteur de muons dans l expérience Grotte Taillerie : Objectif : Simulation sous GEOLAB pour la création d un réseau afin de déterminer la position du détecteur dans l expérience grotte Taillerie : Détermination des écarts-types : Détermination des coordonnées du réseau de points GPS d appui : Détermination des coordonnées approchées des points à déterminer : Lancement des différentes simulations : Positionnement du détecteur à la grotte Taillerie : Méthodologie Etape 1 : Mise en place d un réseau géodésique observé par méthode GNSS : Etape 2 : Positionnement de points repère dans la grotte Taillerie : Etape 3 : Mise en place des embases à la verticale des repères dans la grotte Taillerie : Etape 4 : Détermination de la position des repères de la grotte : Etape 5 : Levé du détecteur afin de connaître le positionnement absolu du détecteur : Etape 6 : Levé afin de déterminer l altimétrie pour le positionnement du détecteur : Etape 7 : Calcul de la solution pour le positionnement du détecteur : Liste du matériel pour la mission grotte Taillerie : Planning : Le déroulement de la mission : Le calcul de la solution : Pré-calcul : Détermination des hauteurs de prismes sur les points d appuis du réseau : Détermination des hauteurs de tourillons sur les points Cn à la surface : Détermination des hauteurs de prismes et de tourillons dans la grotte : Détermination des valeurs approchées des points Cn et Dn: TREFOND Vincent TFE 2011 Page 4 sur 55

5 Le calcul sous Geolab : Calcul des coordonnées des points de référence observés par technique GNSS (1, 2, 3, 4 et 5) : Calcul de la position des points Cn et Dn : Calcul de la position du détecteur composé de trois plans : Traitement de données LiDAR et contrôle : Principes du levé par LiDAR (Light Detection And Ranging) : Généralités : Les instruments de mesures : Le système GNSS : La centrale à inertie : Le scanner laser : Les erreurs affectant les mesures : Le cahier des charges techniques pour le levé LiDAR aéroporté «puy de Dôme» et documents à fournir : Contraintes données par le cahier des charges : Documents à fournir par le prestataire : Les contrôles effectués : Contrôle sur la densité : L utilitaire créé au sein du laboratoire : Résultats : Conclusion sur le contrôle de la densité de points : Contrôle sur «le modelé» : Conclusion : TREFOND Vincent TFE 2011 Page 5 sur 55

6 Développement : 1. Présentation générale du contexte : Les trois partenaires, le LMV, le LPC et l OPGC, travaillent en étroite collaboration depuis l automne 2009 sur le projet TOMUVOL (TOmographie avec des MUons atmosphériques appliqué aux VOLcans). Une présentation succincte de ces trois organismes est proposée, avant une description détaillée du projet Présentation des différentes partenaires : Présentation du Laboratoire Magmas et Volcans (LMV) : Le Laboratoire Magma et Volcans, situé au centre ville de Clermont-Ferrand, est une unité de recherche regroupant des membres de l Université Blaise Pascal, du C.N.R.S. (Centre National de la Recherche Scientifique) et de l IRD (Institut de Recherche pour le Développement). Ce laboratoire effectue des recherches sur la «dynamique et la déformation des édifices volcaniques», en «pétrologie expérimentale : magmatisme et géodynamique», «géochimie : genèse, évolution et chronologie des magmas» et enfin sur le «Transfert Lithosphérique». Pour ma part, j ai effectué mon Travail de Fin d Etude au sein de l équipe de Volcanologie. Le laboratoire est également un pôle d excellence de la région Auvergne Présentation du Laboratoire de Physique Corpusculaire (LPC) : Le laboratoire de Physique Corpusculaire, situé sur le campus universitaire des Cézeaux, à Aubière, est une UMR (Unité Mixte de Recherche) rattachée à l IN2P3 (l'institut National de Physique des Particules et de Physique Nucléaire) du CNRS. Ce centre de recherche travaille principalement dans la physique fondamentale et plus particulièrement dans la physique des particules et dans la matière hadronique. Il est ainsi en relation très étroite avec le CERN où nombre d expérimentations sont faites Présentation de l Observatoire Physique du Globe de Clermont-Ferrand (OPGC) : Enfin, le troisième partenaire du projet est l Observatoire Physique du Globe de Clermont- Ferrand, situé lui aussi sur le campus universitaire des Cézeaux. Cet Observatoire des Sciences de l Univers (OSU) de l INSU (Institut National des Sciences de l Univers) du CNRS, regroupe actuellement deux laboratoires, le LMV cité précédemment mais aussi le Laboratoire de Météorologie Physique (LAMP). La mission de cet observatoire est l observation, la surveillance en temps réel et la mise à disposition de données. La composante «Terre interne» de l OPGC a la responsabilité de la surveillance sismologique du Massif Central et de l observation de l activité volcanique par télédétection sol et satellite, au sein du «Pôle Télédétection des volcans», constitué de plusieurs Services d Observation (SO Hotvolc : surveillance thermique ; SO OI2 : interférométrie radar ; SO Voldorad : radars Dopplers volcanologiques ; SO GazVolc : étude des gaz par DOAS). La composante «Atmosphère» de l OPGC effectue notamment des mesures météorologiques (chimie des nuages, étude des aérosols, ), au sommet du puy de Dôme, sur l agglomération Clermontoise et sur d autres continents. Ces observations sont visualisables sur le site internet de l OPGC et sont intégrées aux dispositifs de prévisions météorologiques sous la responsabilité de Météo France. TREFOND Vincent TFE 2011 Page 6 sur 55

7 1.2. Présentation du projet TOMUVOL : TOmographie avec des MUons atmosphériques appliqué aux VOLcans L objectif visé par le projet TOMUVOL est dans un premier temps d obtenir une radiographie du volcan à très haute résolution puis, par multiplication des lieux de prises de vue, de créer une reconstitution tridimensionnelle du volcan. Pour ce faire, la méthode utilisée est très semblable à une radiographie par rayons X. La principale différence vient du fait que la source utilisée est ici naturelle : les muons. En effet, un télescope est positionné sur un flanc de volcan et enregistre le passage des muons (trajectoire et nombre). Par reconstruction des trajectoires, nous obtenons une carte représentant le nombre de muons parvenant au télescope en fonction de celles-ci (Azimut et Elévation). Afin de permettre la reconstruction de ce modèle, deux éléments sont importants : être capable de reconstruire les trajectoires de ces particules, avec une bonne résolution, dans l édifice volcanique et connaître l enveloppe externe du volcan afin de pouvoir intégrer la densité de roches traversées (découlant directement du nombre de muons ayant suivis une trajectoire particulière) sur une distance. C est pourquoi un M.N.T. (Modèle Numérique de Terrain) précis doit être utilisé. Grâce à cette reconstruction tridimensionnelle très fine de la structure interne d un volcan, les volcanologues obtiendront des données d une qualité jamais atteinte avec les méthodes actuellement utilisées : sismologie ou gravimétrie, par exemple. De plus, par l observation en temps réel du volcan, il sera possible de voir les changements dynamiques des structures internes ou les transferts de matière, qui peuvent être des phénomènes précurseurs d éruptions volcaniques Les muons atmosphériques : Les muons atmosphériques sont produits lorsque les particules du rayonnement cosmique entrent en collision avec des molécules d air, c est-à-dire lorsque les particules du rayonnement cosmique entrent dans l atmosphère. Lors de cette interaction particules-atmosphère, les rayons cosmiques dits primaires sont détruits, par des réactions chimiques, et donnent naissance à des particules secondaires (les muons). L énergie des muons ainsi créés est très variable, de «quelques ev (1 électron volt = 1, joules) à ev» 1. Ces réactions avec l atmosphère sont connues, ce qui permet de connaître le flux de muons (trajectoire et énergie) susceptible de parvenir jusqu à la surface terrestre. En fonction de leur énergie, les muons parcourent des distances plus ou moins importantes, jusqu à la surface terrestre pour un certain nombre. Les muons de très haute énergie vont même pouvoir traverser d épaisses couches terrestres (typiquement quelques hectomètres ou kilomètres) avant leur désintégration, qui est proportionnelle à la densité de roche traversée. Enfin, la trajectoire suivie par un muon lors de la traversée de couches terrestres est rectiligne, caractéristique très importante, qui permet de simplifier les calculs de reconstruction des trajectoires, lors du traitement des données. 1 Rapport Janus, «Étude du flux de muons atmosphériques» par Aurélie JALLAT, 2010 TREFOND Vincent TFE 2011 Page 7 sur 55

8 Le principe de détection : Afin de créer une carte densitométrique d un volcan, il est nécessaire de reconstruire les trajectoires absolues des muons parvenant jusqu au détecteur, en tenant compte de leurs caractéristiques. Pour cela, le détecteur (= télescope) utilisé est composé pour la phase d expérimentation 1 (qui s est déroulée sur le volcan puy de Dôme du mois de janvier au mois d avril 2011) de trois plans juxtaposés et verticaux : deux premiers plans d un mètre carré et un troisième de 1/6éme de mètre carré. Pour la phase 2 de l expérimentation, toujours sur le puy de Dôme, le détecteur a été modifié, avec trois plans de détection, ou cassettes, de 1 mètre carré, juxtaposés et verticaux. Cette phase 2 a débuté mi-avril 2011 pour se terminer mi-mai Lors de ces phases d expérimentation, le détecteur de muons a été installé dans un local souterrain, la Grotte-Taillerie du puy de Dôme, au pied du volcan, afin d éviter les perturbations des mesures par des particules parasites (voir figure 1). Figure 1 - Situation géographique du détecteur (Source : M. LABAZUY Philippe) En connaissant le point d impact d un muon sur chacun des trois plans ainsi que le positionnement absolu du télescope, il est possible de déterminer par reconstruction la trajectoire du muon à travers l édifice volcanique. En théorie, deux plans sont strictement nécessaires et suffisants, l intégration d un troisième plan permet d obtenir un contrôle sur la détermination de celle-ci. En premier niveau d analyse, nous obtenons, à partir des données acquises, une carte qui représente le nombre de muons en fonction des trajectoires suivies, la taille de cette radiographie étant proportionnelle au cône de prise de vue, lui-même directement fonction de la distance au volcan ainsi que de la taille et de l espacement des détecteurs (analogie avec focale et grossissement en optique). La comparaison du flux de muons θ 0 qui devrait parvenir au détecteur en l absence d édifice au flux qui parvient réellement au télescope, permet l obtention d une carte représentant l atténuation du flux de muons. Cette atténuation étant directement proportionnelle à la densité des roches traversées, la modélisation permet d obtenir une carte représentant la densité de roche intégrée sur la distance géométrique parcourue dans l édifice volcanique, d où l importance d un M.N.T. précis sur la zone observée. TREFOND Vincent TFE 2011 Page 8 sur 55

9 Composition des plans de détection : Les plans de détection ont, pour les expérimentations au pied du puy de Dôme, une taille de un mètre carré sauf pour le plan numéro trois du dispositif expérimental de la première phase, mais sa composition est identique aux deux autres. Une chambre GRPC (Glass Resistive Plate Chamber - Figure 2) contenant un mélange de gaz mis sous très haute tension, se trouve entre deux couches de Mylar permettant l isolement électrique de la chambre. Ensuite un PCB (Print Circuit Board) est mis en place à l arrière de cette chambre, le tout étant protégé par un renfort en aluminium et à nid d abeilles. La chambre GRPC (Glass Resistive Plate Chamber) est quant à elle composée de deux lames de verre et de graphite dans lesquelles circule du gaz mis sous très haute tension (7 à 8 kvolt). La distance entre les deux lames de verres, de 1,3cm, doit être constant afin d avoir une homogénéité de dispersion du gaz dans la chambre. Celle-ci est alimentée en continu par un système gaz qui permet la conservation des qualités du mélange de gaz qui se dégrade lors du passage des muons. Enfin, le PCB (Figure 3) est composé de chips de 8 pads par 8 pads, cellule élémentaire du détecteur. Lors de la détection du passage d un muon par ces pads, l information est récupérée par une carte DIF (Detector InterFace board) qui la transmet à un ordinateur. La taille des pads va donc avoir une conséquence directe et importante sur la résolution de la radiographie. Figure 2 - Vue éclatée d'une cellule de détection (source : Chambre-1/6, M. Daudon LPC) Figure 3 - Schéma de composition d'un PCB (Source: M. DAUDON - LPC) Système de détection : Lors du passage d un muon dans la chambre, un arc électrique se crée par combinaison de la haute tension et de l énergie du muon (Figure 4). Cet arc électrique crée une ionisation locale du gaz qui entraîne ensuite une avalanche électrique (avalanche d électrons) et une augmentation locale de la température. C est cette avalanche qui va être détectée par les pads. Ainsi, connaissant la position des pads sur les différents plans touchés, il est possible de reconstruire la trajectoire de la particule à l intérieur du télescope et a fortiori dans l édifice volcanique. TREFOND Vincent TFE 2011 Page 9 sur 55

10 Très régulièrement plusieurs pads sont touchés par une avalanche ; en utilisant la méthode du barycentre il est possible de reconstruire de manière plus précise le point d impact de la particule sur chaque plan de détection, ce qui autorise une meilleure détermination de la trajectoire du muon Transfert des données : Figure 4 - Vue en coupe d'une cellule de détection (Source: TOMUVOL-S1.A.doc, M. Daudon LPC) Les acquisitions sont transmises en temps-réel à l OPGC grâce au dispositif présenté sur la figure 5 : Figure 5 - Transfert des données (Source : En fait, les observations faites à la grotte de la Taillerie constituées à la fois des données de flux de muons acquises par le détecteur que des données de contrôle des conditions externes (la température, le degré d humidité et la pression) sont enregistrées sur un ordinateur situé sur le site expérimental. Elles sont ensuite transmises, par protocole wifi jusqu à l antenne de réception située à la cime du volcan, sur le toit du chalet de l OPGC. Elles sont enfin retransmises à destination de l OPGC (Camus des Cézeaux), via un réseau Wifi longue portée (> 5 km), pour stockage, archivage et mise à disposition pour traitements spécifiques par les scientifiques de la collaboration TOMUVOL. TREFOND Vincent TFE 2011 Page 10 sur 55

11 2. Positionnement du détecteur de muons dans l expérience Grotte Taillerie : 2.1. Objectif : L objectif de ce volet du TFE est un point fondamental de la reconstruction de la structure interne du puy de Dôme par l analyse des muons. Il s agit de déterminer la position du détecteur dans le référentiel RGF93 - projection Lambert93 mais également dans un référentiel local, lié au site «Grotte-Taillerie/puy de Dôme», utilisé par les algorithmes développés au LPC, dans la chaîne de traitement et d analyse des données de flux de muons. La détermination du positionnement du détecteur implique le calcul de la position de huit points particuliers, les quatre sommets des deux plans de détection visibles. Le référentiel local «Grotte-Taillerie / puy de Dôme» défini pour l étude a pour origine un point de référence au sol qui sera un point du réseau dans le local enterré, un axe (y) pointant vers l antenne du puy de Dôme, le second (z) étant à la verticale du lieu, le troisième (x) complétant le référentiel afin d avoir un système orthonormé. (Voir figure 6). Ce repère permettra d avoir la salle du détecteur en coordonnées nulles dans le repère local facilitant par la suite les calculs sur données. Figure 6 - Schéma présentant le référentiel local Suite à la définition de la mission, nous avons mis en place un protocole permettant d effectuer ce positionnement. La procédure vise à calculer dans un premier temps la position du détecteur dans le système RGF93 projection Lambert93, système altimétrique : IGN-NGF69 afin que celui-ci soit connu dans le même référentiel que le levé par technique LiDAR aéroporté, puis d effectuer ultérieurement un changement de repère afin de fournir les données de positionnement dans le repère local. Ce repère local ayant un axe (z) à la verticale locale, ceci implique d introduire l altimétrie IGN-NGF69, pour définir la composante verticale du système général RGF93 projection Lambert 93. En effet par définition, l altitude est la verticale locale au géoïde, ce qui n est pas le cas pour la hauteur sur ellipsoïde. Dans une première partie, seront présentées la préparation de la mission et les diverses simulations effectuées, la seconde partie sera consacrée à la méthodologie appliquée pour la réalisation des mesures, suivie de la description des étapes de calcul et leur discussion. TREFOND Vincent TFE 2011 Page 11 sur 55

12 2.2. Simulation sous GEOLAB pour la création d un réseau afin de déterminer la position du détecteur dans l expérience grotte Taillerie : Afin de déterminer les mesures à effectuer pour atteindre la précision demandée du millimètre sur les points du détecteur, quelques simulations ont été effectuées au préalable, sous Geolab. Pour ce faire, il est d abord nécessaire de déterminer les écarts types du tachéomètre TCR 1201, du niveau DN10 et de la lunette nadiro-zénithale afin de pouvoir ensuite les intégrer au fichier projet (extension.iob) sous GEOLAB. Puis, les coordonnées approximatives des points ont été déterminées sur fond de plan, afin de les inclure également dans le fichier.iob. Le fichier.iob contient également en en-tête les caractéristiques de la projection Lambert Détermination des écarts-types : Grâce aux manuels techniques du tachéomètre, du niveau DNA10 et de la lunette nadirozénithale, nous avons pu déterminer les écarts-types a priori, répertoriés dans le tableau ci-dessous : Matériel Type de mesure Écart-type apriori sur la mesure Distance 1 mm +1.5 ppm Tachéomètre Angle horizontal 3 dmgon Angle vertical 3 dmgon Lunette nadiro-zénithale Centrage 1 mm à 30m (soit 0.2mm à 4m) Niveau DNA 10 avec mire code barre Dénivelée m Tableau 1 - Ecarts types a priori Détermination des coordonnées du réseau de points GPS d appui : Sur le fond de plan Géoportail ( les coordonnées a priori des points de référence sont relevés dans le référentiel RGF93 Projection Lambert 93. Sur le terrain, ces points seront ultérieurement déterminés en coordonnées par technique GNSS. Système RGF 93 Projection Lambert 93 Unité : m Est Nord Alt. (NGF-IGN 69) Tableau 2 - Coordonnées des points de référence TREFOND Vincent TFE 2011 Page 12 sur 55

13 Détermination des coordonnées approchées des points à déterminer : Pour rappel, les points à déterminer dans la phase de calcul sont les points du réseau interne au local enterré (points C1 à C5, à descendre par les verrières) ainsi que les points caractéristiques du détecteur (D1 à D4). Pour l étape de simulation, comme précédemment, leur position est fixée approximativement à partir d un levé de référencement préliminaire de qualité moyenne. (Levé topographique classique avec rattachement approximatif). Système RGF 93 Projection Lambert 93 Unité : m Est Nord Alt. (NGF-IGN 69) C C C C C D D D D Tableau 3 - Coordonnées approchées des points à déterminer C1 à C5 : points de référence interne au local enterré D1 à D4 : sommets supérieurs des cassettes du détecteur Lancement des différentes simulations : Une fois l ensemble des paramètres déterminés, les différentes simulations peuvent être lancées. Le tableau 6 récapitule les points de référence sélectionnées, les stations prises, les mesures effectuées (Ah : angle horizontal, Av : angle vertical, Dp : distance pente), ainsi que la précision espérée sur les trois composantes pour les différents points du détecteur mesurés avec les écarts types définis a priori. Point de référence pris en compte Station d où sont effectuées les mesures C1 C2 C3 C4 C5 C1 C2 C3 C4 C5 Mesures faites Ah Av Dp annoncée après simulation Demi grandaxe Demi petitaxe Sur composante vertical x x x x x x (mais seulement sur les stations) TREFOND Vincent TFE 2011 Page 13 sur 55

14 C1 C2 C3 C4 C5 C1 C2 C3 C4 C1 C2 C4 C5 C1 C2 C4 C5 C1 C2 C3 C5 x x x x x x x x x x x x Tableau 4 - Résultats des différentes simulations Au vu du tableau 4, le constat s impose que la meilleure précision sur la position des points du détecteur est obtenue en ayant cinq points référence et cinq stations dans la grotte, ceci malgré une augmentation du nombre d inconnues en pratique largement compensée par l augmentation du nombre d observations. La simulation Geolab a donc permis de préciser la procédure de mise en œuvre des étapes de mesure de la mission Grotte-Taillerie, qui s est appuyée sur le terrain, d un réseau géodésique de cinq points référence et de cinq stations à descendre dans la grotte Positionnement du détecteur à la grotte Taillerie : Méthodologie Le détecteur a été installé dans une salle souterraine, pour des questions d isolement et de filtrage des particules parasites, ce qui ne facilite pas son accès. Il est impossible de passer par les différents tunnels d accès à cette salle car ceux-ci sont très étroits et sinueux, ne permettant pas des observations topographiques de bonne qualité. Toutefois, ce local présente l avantage d être éclairé par trois verrières de 30 cm de large sur plus de 3 mètres de long, avec sortie directe à la surface. Ainsi il apparaît que la seule méthode topographique apte à la détermination de la position du détecteur avec une précision millimétrique est l utilisation d une lunette nadiro-zénithale pour la descente de points dans la salle, d un tachéomètre pour les visées sur les points d appui et sur le détecteur et enfin des récepteurs GNSS pour créer ce réseau de points d appuis. Les différentes étapes mises en œuvre pour géoréférencer le détecteur dans le système RGF93 projection Lambert 93 Système altimétrique : NGF-IGN69, sont décrites dans les paragraphes suivants, en fin de celles-ci, un tableau met en avant les informations techniques (matériel utilisé, temps, nombre de personnes) enfin l ensemble du matériel utilisé est synthétisé dans un tableau récapitulatif (Tableau 12). Le planning opérationnel des mesures de terrain est présenté sur le tableau 13, en fin de partie. TREFOND Vincent TFE 2011 Page 14 sur 55

15 Etape 1 : Mise en place d un réseau géodésique observé par méthode GNSS : Cette méthode consiste à mettre en place un ensemble de points, matérialisés par des trépieds fixes tout au long de la phase de mesures, aux alentours du chantier. Ces trépieds accueillent un récepteur GNSS pendant une certaine durée déterminée par l équation 1. é 20 2 / (Equation 1) Dans notre cas d étude, le chantier étant localisé à une douzaine de kilomètres des stations permanentes RGP de Clermont-Ferrand : CLMT & CLFD, la durée minimale d observation pour le pivot central est donc de 50 minutes minimum (Equation 1). Cette durée doit permettre la détermination des ambiguïtés entières pour le calcul des lignes de base (ligne entre la station RGP et le récepteur GNSS situé sur le chantier). Seules deux stations permanentes sont utilisées, les autres stations du RGP les plus proches étant situées à plus de 60 kilomètres de notre chantier auraient un impact moindre sur la détermination des positions. De plus, chaque ligne de base interne au chantier (c est-à-dire chaque ligne entre récepteurs mis sur le chantier, voir figure 7) est observée pendant une durée de 22 minutes (Equation 1) afin d augmenter la redondance. Les points sont positionnés à une distance d environ 500m de la zone du détecteur (verrières), afin qu une erreur de positionnement due au récepteur GNSS, typiquement le centimètre, ne soit pas décelable lors de la phase de levé par un tachéomètre. Ligne de base Pt GPS Pt GPS Détecteur Pt GPS Pt GPS Pt GPS (pivot) Figure 7 - Schéma de principe pour la création du réseau d'appui observé par technique GNSS Descriptif : Matériel Personnel Temps Nombre - 4 récepteurs GNSS - 5 trépieds 1 personne 3 h Tableau 5 - Logistique pour l'étape 1 pour le positionnement du détecteur TREFOND Vincent TFE 2011 Page 15 sur 55

16 Etape 2 : Positionnement de points repère dans la grotte Taillerie : Cette étape consiste en la mise en place de repères sur le sol de la grotte Taillerie, avec plusieurs contraintes techniques précises, liées au site notamment. Ces points doivent être intervisibles dans la grotte. Ces repères sont positionnés à la verticale des verrières afin d être vus depuis la surface topographique. Enfin, l ensemble des visées à réaliser sur les angles des cassettes du détecteur implique un réseau de 5 repères (minimum de 3 visées par angle de cassette). Ces points sont matérialisés par des cibles réfléchissantes (type GZM21 : 20x20 mm). L un de ces points est défini comme le point origine du repère local. Descriptif : Matériel Personnel Temps Nombre - 5 cibles réfléchissantes 2 personnes 15 minutes Tableau 6 - Logistique pour l'étape 2 pour le positionnement du détecteur Etape 3 : Mise en place des embases à la verticale des repères dans la grotte Taillerie : Cette étape consiste à mettre en place des embases sur trépieds, positionnés à la verticale des repères dans la grotte Taillerie, au niveau des verrières. Il est donc nécessaire de démonter ces dernières dans leur intégralité afin que les visées optiques ne soient pas déviées par l épaisseur des plaques de verre. La mise en verticalité est faite par lunette nadiro-zénithale, afin d atteindre la précision de positionnement du télescope déterminée dans le cahier des charges. Cet instrument permet en effet de verticaliser une embase à la verticale d un point au millimètre à 30 mètres de profondeur. La contrepartie à cette précision est le temps de mise en place. Descriptif : Matériel Personnel Temps Nombre - 1 lunette nadiro-zénithale - 5 trépieds (un par répère) - 5 embases (une par trépied) 2 personnes 5 * 20min / repère = 1 h 40 min environ Tableau 7 - Logistique pour l'étape 3 pour le positionnement du détecteur Etape 4 : Détermination de la position des repères de la grotte : L étape suivante, après la mise en place des trépieds et de leurs embases à la verticale de chaque repère de la grotte, consiste en la détermination de leur position. Pour ce faire, le tachéomètre (dont les caractéristiques techniques ont été mises en avant dans le tableau 1) est successivement installé sur chaque embase, afin d effectuer plusieurs tours d horizon (au moins 2 avec changement du zéro de limbe). Un tour d horizon consiste à viser un à un les points du réseau géodésique, tel que mis TREFOND Vincent TFE 2011 Page 16 sur 55

17 en évidence sur la figure 8, en relevant systématiquement les angles horizontaux et verticaux, ainsi que la distance-pente. Pour la mesure de distance-pente, la constante de prisme est prise en compte directement car cette constante de prisme est connue et mise dans la mémoire du tachéomètre. Lors de cette étape, deux opérateurs (un avec chaque prisme) doivent se déplacer d un point géodésique (trépieds ayant servi pour faire l observation GNSS) à l autre, pendant qu un troisième opérateur assure la visée de ces prismes. De plus, chaque tour d horizon comporte nécessairement deux visées (double retournement) sur chaque prisme, afin d éliminer les erreurs systématiques du tachéomètre. C est également lors de cette étape qu est réalisée la descente du nivellement dans le local enterré, grâce à l utilisation d une mire (côté gradué) dont le talon est positionné sur un des points spécifiques du réseau local de la grotte. Deux visées successives sur mire sont effectuées avec le tachéomètre, une première avec un angle vertical à 100gon (lecture 1) puis une seconde avec un angle vertical à 300gon (lecture 2), la valeur significative étant la moyenne des deux lectures. L expérience doit être répétée lors du déplacement du tachéomètre sur l ensemble des points de mesure, afin d obtenir un ensemble de valeurs moyennées en post-traitement. A la fin ce cette expérimentation, les trépieds et embases supportant le tachéomètre et les récepteurs GNSS et la mire pourront être enlevés afin de permettre la remise en état des verrières. Figure 8 - Schéma de principe sur le tour d'horizon avec le déplacement des prismes Descriptif : Matériel Personnel Temps Nombre - 1 tachéomètre - 5 trépieds (un sur chaque repère) (+ ceux déjà mis sur les points géodésiques) - 5 embases (+ celles déjà mises sur les points géodésiques) - 2 prismes - 2 queues à prisme - 1 trépied - 1 mire graduée 3 personnes 5 * 1 heure/points = 5 heures environ Tableau 8 - Logistique pour l'étape 4 pour le positionnement du détecteur TREFOND Vincent TFE 2011 Page 17 sur 55

18 Etape 5 : Levé du détecteur afin de connaître le positionnement absolu du détecteur : Afin de déterminer le positionnement absolu du détecteur (et plus précisément des cassettes, c est-à-dire des différents plans de détection), il est tout d abord indispensable de positionner l ensemble trépied-embase à la verticale de chacun des cinq repères au sol de la grotte, grâce à la lunette nadiro-zénithale, qui permet d éviter au maximum toute perte de précision. Dans un deuxième temps, le tachéomètre est mis en place à la verticale du repère puis effectue les visées sur les autres points de référence (en mettant les prismes et queues sur les embases et trépieds verticalisés), puis, finalement, sur les angles supérieurs des cassettes visibles depuis ce repère. Les angles inférieurs ne peuvent pas être visés car le bâti contenant ces cassettes ainsi que le matériel auxiliaire au détecteur (ordinateur, chambre électrique, carte de contrôle) les cachent. En faisant de même sur l ensemble des repères, il faut veiller que trois visées au minimum soient effectuées sur chaque angle de cassettes afin d avoir une surabondance des données. Lors de cette étape, les mesures correspondent à des distances et des angles sur les autres repères et des angles horizontaux et verticaux seulement sur les angles des plans de détection du détecteur. Figure 9 - Schéma de principe sur les visées effectuées Descriptif : Matériel Personnel Temps Nombre - 1 tachéomètre - 5 trépieds - 5 embases - 2 prismes - 2 queues à prisme - 1 lunette nadiro-zénithale 2 personnes 5 * 1 h/points = 5 heures environ Tableau 9 - Logistique pour l'étape 5 pour le positionnement du détecteur TREFOND Vincent TFE 2011 Page 18 sur 55

19 Etape 6 : Levé afin de déterminer l altimétrie pour le positionnement du détecteur : Les étapes précédentes ont permis les mesures sur le détecteur afin de connaitre le positionnement planimétrique de celui-ci. Les étapes qui suivent permettent quant à elles de déterminer le positionnement altimétrique des angles supérieurs des plans de détection et par suite les angles inter-cassettes. Cette étape est faite à l aide d un niveau DNA10 avec sa mire à code barre dont les caractéristiques techniques sont mises dans le tableau. tan 2 1 Figure 10 - Schéma (vue de côté) technique montrant la méthode pour déterminer l'angle entre les deux cassettes (Equation 2) Le schéma de la Figure 10 présente la méthode de détermination, avec un niveau de l angle i, par la mesure de la différence de hauteur entre les deux cassettes, et en connaissant au préalable la distance entre ces deux cassettes (Equation 2). sin 2 1 (Equation 3) Figure 11 Schéma (vue de coté) permettant de voir la technique mise en place pour déterminer l inclinaison d une cassette Il est également possible de déterminer l angle entre l horizontale et l arête d une des cassettes par nivellement (Figure 12) grâce à l Equation 3. Ces mesures de dénivelées servent de contrôle aux mesures faites avec le tachéomètre, ou sont intégrées comme observations supplémentaires dans les calculs de positionnement. Descriptif : Matériel Personnel Temps Nombre - 1 niveau numérique - 1 mire à code barre - 1 trépied à crémaillère - 1 porte-mire 1 personne 1h Tableau 10 - Logistique pour l'étape 6 pour le positionnement du détecteur TREFOND Vincent TFE 2011 Page 19 sur 55

20 Etape 7 : Calcul de la solution pour le positionnement du détecteur : En s appuyant sur les mesures réalisées au cours des étapes précédentes, le géoréférencement détecteur est calculé en bloc, sous GEOLAB, logiciel canadien de calcul de réseau géodésique. Descriptif : Nombre Matériel 1 licence GEOLAB Personnel 1 personne Temps 1 journée Tableau 11 - Logistique pour l'étape 7 pour le positionnement du détecteur Liste du matériel pour la mission grotte Taillerie : Le tableau 12 permet de visualiser le matériel nécessaire au bon déroulement de la mission, comme il le montre elle nécessite un important besoin de matériel et plus particulièrement de trépieds et autres embases. Matériel Nombre Tachéomètre 1 Prisme 2 Queue de prisme 2 Trépied 10 Embase 10 Niveau numérique 1 Mire à code barre et lecture optique 1 Porte-mire 1 Lunette nadiro-zénithale 1 Récepteur GNSS (sans embase, elles sont déjà comptées ci-dessus) 3 Cibles réfléchissantes 5 Licence GEOLAB Planning : Tableau 12 - Liste du matériel pour l'ensemble de la mission Le tableau présente le planning d exécution des différentes étapes de la mission à la grotte Taillerie, détaillées dans les paragraphes précédents. 8h 9h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h Etape 1 : Etape 2 : Etape 3 : Etape 4 : Fin jour 1 Etape 5 : Etape 6 : Etape 6 bis Fin jour 2 Etape 7 : Tableau 13 - Planning de réalisation de la mission topographique à la grotte Taillerie TREFOND Vincent TFE 2011 Page 20 sur 55

21 Nota : L étape 6 bis vise à effectuer le levé d intérieur de la grotte Taillerie et de déterminer la position des verrières. En effet, ces dernières constituant un trou dans le «blindage» contre les particules parasites, il est nécessaire de simuler, par modélisation, leur impact sur les mesures du détecteur. Le premier jour est exclusivement porté sur les mesures topographiques, nécessaires pour la détermination du positionnement des cibles réfléchissantes de la grotte Taillerie (étapes 1 à 5). Le respect du planning sur une seule journée pour ces étapes était impératif compte tenu de l obligation de démonter et remonter les verrières, en début et fin de journée, pour des raisons de sécurité. La seconde journée est axée sur les mesures dans la grotte Taillerie (sur le détecteur et les points de référence dans le local) à partir des points de référence. Enfin un troisième jour est nécessaire pour effectuer l ensemble des calculs Le déroulement de la mission : Pour mener à bien cette mission, le Laboratoire Magmas et Volcans a pu bénéficier du prêt de matériel de l Ecole Supérieure des Géomètres et Topographes du Mans et du Laboratoire GEOLAB (Laboratoire de l université de Blaise Pascal Maison des Sciences Humaines) de Clermont-Ferrand. Dans un souci de compréhension et d utilité, les points mesurés par méthode GNSS sont numérotés 1, 2, 3, 4 et 5. Les points descendus dans la grotte Taillerie sont nommés C1, C2, C3, C4 et C5 et les points visés sur les détecteurs sont numérotés D1, D2, D3 et D4. Figure 12 - Schéma de représentation de la numérotation appliquée Comme mentionné précédemment, la principale contrainte de cette mission a concerné les opérations de démontage remontage des verrières. En effet, il était impératif qu elles soient effectuées dans la journée afin que les verrières ne soient pas laissées ouvertes pendant la nuit, sans surveillance, pour des raisons de sécurité. Pour pallier cette contrainte, le Service de Développement Technologique de l OPGC, et plus particulièrement de Mrs Fournol et Reymond, a réalisé une expertise technique, afin de définir la meilleure solution pour ce démontage - remontage dans une journée. La première journée de la mission a été fixée le 24 Mars, en raison de prévisions météorologiques favorables avec une journée ensoleillée, permettant un démontage de verrières sans craindre de faire prendre l eau aux différents instruments électroniques situés sous les verrières et TREFOND Vincent TFE 2011 Page 21 sur 55

22 indispensables pour le fonctionnement du détecteur. Lors de cette première journée, cinq personnes volontaires sont venues afin de mener à bien la réalisation de toutes les mesures, en un temps limité. Au préalable, les trépieds et leur embase ont été mis en place aux alentours du chantier dans des endroits dégagés de toutes végétations, afin qu après mise en station des antennes GNSS les observations puissent être lancées. Les contraintes locales ont imposé d effectuer une mise en place des points d appuis à 300 mètres, ce qui implique que les visées effectuées avec le tachéomètre sur ces points soient de très bonne qualité. Les observations GNSS ont été réalisées en mode statique (afin d obtenir la meilleure précision possible sur les lignes de base) à partir de ces points. Pendant cette phase initiale de mesures, trois personnes ont assuré le démontage les verrières. Une fois ce dernier terminé, le trépied et le tachéomètre ont été verticalisés au-dessus des verrières, le plomb laser donnant une verticale du lieu approché sur le sol de la salle du détecteur. Chaque point de référence Cn a pu être mis en place au point d impact du laser et du sol de la salle. Après enlèvement du tachéomètre, la verticalisation finale au-dessus du point de référence Cn de l embase a été faite avec la lunette nadiro-zénithale. La verticalisation terminée, le tachéomètre a été réinstallé et les mesures préconisées (visées sur les points d appuis observés par technique GNSS et sur la mire mise en place sur un point de référence appelé Réf Extérieur pour détermination de la hauteur de tourillon par rapport au repère stationné) ont été effectuées. Ces différentes manipulations ont été réitérées depuis les cinq points C1 à C5, avant remontage des verrières en fin de journée. La seconde journée, fixée au 28 Mars 2011, a consisté à effectuer les mesures au sein du réseau de référence dans le local enterré, entre les différents repères fixes (C1 à C5), mesurés entre eux tout d abord, puis entre ces repères et les points caractéristiques des différents plans du détecteur, les points D1 à D4. Les embases ont tout d abord été verticalisées à l aplomb des points Cn, grâce à la lunette nadiro-zénithale, qui permettait d assurer une précision de positionnement inférieure au mm, sur le point homologue déterminé à la surface. Le tachéomètre a ensuite pris la place de la lunette nadirozénithale afin d effectuer des mesures d angles, de distance et de hauteur sur une mire (pour la détermination des hauteurs de tourillons). Cette partie finie, des mesures de nivellement direct entre les différents points Cn, mais aussi sur un point nommé Réf, ont été faites afin de déterminer par post-traitement l ensemble des hauteurs de tourillons (pour les stations faites en extérieur et celles faites dans le local). Des mesures de nivellement direct ont également été réalisées entre les angles du détecteur et le point Réf pour amener un contrôle sur la détermination de l altimétrie du détecteur. La journée s étant déroulée très rapidement, le parti a été pris de faire un contrôle de la différence de dénivelée entre le point Réf dans le local et le point Réf à l extérieur (celui maintenant la mire lors de la journée 1) Le calcul de la solution : Lors de l installation des prismes à la place des antennes GNSS, la position planimétrique est la même au 1/10éme de millimètre, au contraire, du point de vue altimétrique, la hauteur du centre du prisme est différente de celle du point de référence de l antenne GNSS. Il est donc nécessaire de déterminer ces différences de hauteurs, variables, en fonction du type d antennes GNSS (Leica System 500 et Topcon Hiper pro, dans le cas de notre étude), celles-ci sont donc déterminées en amont de la campagne de mesures. TREFOND Vincent TFE 2011 Page 22 sur 55