Apport des images RADAR à Synthèse d Ouverture à la cartographie marine.

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1 UNIVERSITE DE MARNE LA VALLEE Thèse. Spécialité : Sciences de l Information Géographique. Présentée par : Hervé TREBOSSEN. Apport des images RADAR à Synthèse d Ouverture à la cartographie marine. M. José ACHACHE. M. Frédéric BALTZER. M. Benoît DEFFONTAINES. M. Jean Philippe DUFOUR. M. Michel EVEN. M. Patrick GUILLOPE. M. Thierry ROUSSELIN. M. Jean Paul RUDANT. Examinateur. Rapporteur. Rapporteur. Examinateur. Examinateur. Examinateur. Directeur de thèse.

2 RESUME. Plus de la moitié du transport de marchandises à travers le monde se fait par voie de mer. Un des moyens permettant d assurer la sécurité des navires et par conséquent d éviter les pollutions accidentelles est de mettre à la disposition des marins des cartes marines de qualité, conformes aux moyens modernes de navigation (navigation par GPS). Malheureusement, actuellement, ces documents de navigation sont anciens sur nombre de zones côtières. Le SHOM 1 qui est chargé en France de l établissement et de la diffusion de l information nautique utilise, dans certains cas, pour actualiser plus rapidement ses cartes des images de télédétection provenant des satellites optiques SPOT. Dans les zones à forte nébulosité, l acquisition de telles données est très aléatoire, les images des satellites RADAR à Synthèse d Ouverture (RSO) apportent l avantage de ne pas être perturbées par la couverture nuageuse. L étude que nous présentons, née de la collaboration entre le SHOM et l UMLV, a pour objectif de développer une méthode d utilisation des données spatiales radar en vue de faciliter la création et la réactualisation des cartes marines. Le premier chapitre de ce travail présente, sur chacun des différents sites qui vont être «auscultés» au travers des images radar à synthèse d ouverture, les grandes caractéristiques du milieu, la base de données images et cartes puis l intérêt du site pour la cartographie marine. Les cinq sites côtiers présentés sont en partie en milieu tropical humide (la Guyane française, le Cameroun et le Gabon), en milieu polaire (Terre Adélie) et enfin en milieu inter-tropical aride (Mauritanie). Le deuxième chapitre porte sur les traitements radiométriques et géométriques mis en œuvre pour l utilisation des images radar. Les traitements radiométriques comporteront principalement l usage d algorithmes connus et de logiciels déjà existants pour le filtrage du chatoiement sur les images d amplitude, la génération des images de cohérence à partir de données complexes et l extraction automatique d informations. En ce qui concerne les traitements géométriques, nous avons choisi de développer un outil de géoréférencement pour les scènes ERS. Cet outil demande de connaître l orbitographie du satellite, la position du géoïde sur le site imagé et la géométrie interne des données satellitaires. La validation de cet outil s appuiera sur la prise en compte de points de contrôle au sol et sur la comparaison d images acquises en orbites montante et descendante. L analyse des images traitées se fera sur les thèmes intéressant la cartographie marine : en mer, au large et sur les zones de petits fonds 1 Service Hydrographique et Océanographique de la Marine.

3 proches de la côte, sur l estran, et enfin, à terre, sur les végétations côtières et les zones anthropisées. D autres données de télédétection (images optiques et autres données RSO) pourront être utilisées, selon les disponibilités, pour enrichir notre propos. Enfin le dernier chapitre est consacré, d une part, aux réactualisations de cartes marines auxquelles nous avons participé et d autre part, à la proposition de produits cartographiques nouveaux fusionnant les images RSO récentes et des données cartographiques plus anciennes, destinés à suppléer à l absence de cartes classiques actualisées et susceptibles d intégrer les évolutions observées sur certains sites d étude.

4 ABSTRACT More half of the carriage of goods throughout the world is done by sea. One of the means allowing to ensure the safety of the ships and consequently to avoid accidental pollution, is to put at provision of the sailors of the sea charts of quality, in conformity with the modern means of navigation (navigation by GPS). Unfortunately, currently, these documents of navigation are old on a number of coastal zones. The SHOM who is in charge in France of the establishment and of the diffusion of nautical information, uses, in certain cases, to bring up to date its cards more quickly, of the images of remote sensing coming from the optical satellites SPOT. In zones with strong nebulosity, the acquisition of such data is very random, the images of the satellites with Synthetic Aperture RADAR (SAR) bring the advantage of not being disturbed by the cloud cover. Present study is borned of collaboration between SHOM and UMLV, its main goal is to develop a method to use SAR images in order to facilitate nautical chart reactualisation. First chapter of this work presents, on each various site which "will be auscultated" through images radar with synthesis of opening, great characteristics of the medium, the data base images and cards then interest of the site for marine cartography. The five coastal sites presented are partly in humid tropical area (French Guiana, Cameroon, Gabon), in polar zone (Terre-Adélie) and last in arid inter-tropical area (Mauritania). Second chapter relates to the radiometric and geometrical processing implemented for the use of the images radar. Radiometric processing will comprise mainly the use of known algorithms for filtering of the speckle on amplitude images, generating coherence images with complex SAR data and extracting automatically information from SAR data. With regard to the geometrical processing, we chose to develop a tool in order to georeference our ERS images database. This tool requires to know satellite orbitography, geoid height on study site and internal satellite geometry. Validation of this tool will be based on ground control points acquisition and on comparison between ERS images acquired in ascending and descending pass. SAR data analysis will be done on topics interesting nautical charts updating: shallow waters close to coast, on inter-tidal zone, and finally, on terrestrial part, coastal vegetation and anthropic zones. Other remote sensing data (optical and different SAR data) could be used, according to availabilities, to enrich our matter. Last, fourth chapter is devoted with re-actualisations of nautical charts in which we participated. We propose new cartographic products including recent SAR images and older data from nautical charts, to compensate lack of traditional maps up to date and likely to integrated evolutions observed study sites.

5 REMERCIEMENTS Je voudrais profiter de cette page pour remercier les différentes personnes et organismes qui ont contribué à l aboutissement de cette thèse. Tout d abord, toute ma reconnaissance à Jean Paul Rudant sans qui rien n aurait été possible. Merci aux membres du jury : M. José Achache, directeur de l observation de la terre à l Agence Spatiale Européenne, qui m a fait l honneur de présider ma soutenance de thèse, M. Frédéric Baltzer de la faculté d Orsay pour ses conseils judicieux, M. Benoît Deffontaines de l EPHE pour m avoir soutenu lors de la rédaction de ce mémoire, M. Jean Philippe Dufour de l IGN pour ses remarques notamment sur la partie concernant la géométrie des images, M. Michel Even du SHOM pour son soutien dès le début de cette étude en tant que directeur technique sur le Bâtiment Océanographique d Entrecasteaux, M. Patrick Guillopé du CETE Normandie-Centre pour l intérêt qu il a bien voulu apporté à cette étude et plus spécialement sur les questions touchant à aménagement côtier et M. Thierry Rousselin de la DGA qui a bien voulu, en acceptant de juger ce travail, me faire bénéficier de son expérience des projets cartographiques de la DGA. Toute ma gratitude aux responsables et à tout le personnel du Service Hydrographique et Océanographique de la Marine qui m ont accueilli, à l EPSHOM à Brest, et m ont fait profiter de leurs compétences. Plus spécialement merci à M. Levisage et M. Déniel de la section Géodésie Géophysique qui ont apporté leur soutien à cette étude. Merci à Jean Paul Tournay qui a supporté mon désordre pendant trois années au Bureau Traitement d Images. Merci également aux «collègues» de l Institut Francilien des Géosciences à Marne la Vallée: à son directeur, Bernard Cervelle mais aussi à Bénédicte, Nicolas, Rajat, Raoul, Sonia, Joseph, VdP, Pierre- Louis, Gilles, Marcellin, Pierre, Ali, Arlette et Claire Je voudrais aussi remercier les équipages du d Entrecasteaux, des vedettes Arouba et Stellis sans qui nous n aurions pas pu affronter les bancs de vase. Mes remerciements vont aussi à ceux qui, vivant non loin des côtes atlantiques, m ont aidé sur place et ont participé aux missions de terrains : en Guyane : les Phares et Balises, l Etat Major et la Base de la Marine Nationale à Dégrad des Cannes, l IRD ; en Afrique : l IUT de Douala, le Laboratoire d Electronique et de Télédétection de l Ecole Polytechnique de Yaoundé, la SDCA à Douala, l ADIE à Libreville,

6 l Université de Nouakchott, M. et Mme Tolba (Nouakchott) et l UMR PRODIG de l EPHE. Merci aussi à l'indian Institut of Remote Sensing à Derha-Dun, grâce auquel j ai pu explorer le littoral dans la région de Calcutta durant l été Merci à ceux qui à un moment ou à un autre m ont aidé pour ce travail : Frédéric Adragna, Jean Claude Souyris de l équipe radar du CNES, Marie Françoise Courel de l EPHE à Paris, Grégoire à l ENST Brest, Bertrand Chapron à l Ifremer, Philippe Bolon et Emmanuel Trouve de l ESI Annecy, Jean Marie Nicolas de l ENST Paris. J espère enfin que les enseignants du DEA Sciences de l Information Numérique qui ont assuré ma formation dans le domaine de la Cartographie Numérique durant l année scolaire se reconnaîtrons dans ce travail, et que la STAT et la CEGN, qui avaient initié les travaux de cartographie Radar sur l ensemble de la Guyane en 1993, trouveront intérêt à cet approfondissement sur la frange littorale.

7 AVANT PROPOS... 1 INTRODUCTION Générale... 2 La Carte Marine au SHOM... 2 Quelques réalisations cartographiques à partir d images RADAR à Synthèse d Ouverture (RSO) Plan du mémoire CHAPITRE I Sites d études et bases de données... 7 I.1. Guyane française... 8 I.2. Golfe de Guinée I.3. Terre Adélie I.4. Mauritanie I.5. Conclusion CHAPITRE II Méthodologie d'emploi des images RADAR en cartographie Marine II.1. Introduction II.2. Traitements radiométriques des images II.3. Géoréférencement des images RSO II.4. Synthèse CHAPITRE III Apports thématiques des images Radar à Synthèse d Ouverture pour la cartographie marine III.1. Introduction III.2. Recueil de données environnementales au large III.3. Proche côtier et estran III.4. Milieu naturel, végétations continentales et d estran III.5. Evolutions côtières III.6. Régions anthropisées III.7. Données complémentaires III.8. Conclusion CHAPITRE IV Réalisations cartographiques IV.1. Articulation traitement des images RSO / réalisation de cartes marines IV.2. Réalisations cartographiques IV.3. Propositions de produits cartographiques dans les zones à fortes évolutions. 139 IV.4. Conclusions CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES Références

8 TABLE DES ILLUSTRATIONS Figure I-1 : Emprise des scènes satellitaires RSO en Guyane Figure I-2 : Présentation schématique du site de Guyane, situation globale en Tableau I-3 : Données satellitaires optiques et Figure I-3 : Emprise des scènes satellitaires optiques en Guyane Figure I-4 : Vue générale de la scène ERS-2 du 24 septembre 1999, estuaire de l Oyapock Figure I-5 : Scène Landsat du 30 août 1976, Région de Sinnamary Iracoubo Figure I-6 : Scène Spot du 26 octobre 1986, Région de Sinnamary Iracoubo Figure I-7 : Vue de la carte marine de Cayenne N 2459, de Figure I-8 : Présentation schématique du site du Cameroun Figure I-9 : Emprise des scènes satellitaires RSO au Cameroun Figure I-10 : Présentation schématique du site du Gabon Figure I-11 : Présentation schématique du site de Terre-Adélie Figure I-12 : Emprise des scènes satellitaires sur la Terre Adélie Figure I-13 : Vue générale de la scène ERS-2 du 27 février Figure I-14 : Vue générale de la scène SPOT XS du 7 février Figure I-15 : Port Martin, extrait de la carte SHOM N Figure I-16 : Présentation schématique du site de Mauritanie Figure I-17 : Emprise des scènes satellitaires RSO en Mauritanie Figure I-18 : Vue générale de la scène ERS-2 du 03 février 1996, Nouakchott Figure I-19 : Vue générale de scène SPOT P du O4 février Figure II-1 : Extrait de la scène ERS-1, du 01 février 1999, orbite Figure II-2 : Extrait de l amplitude de la scène ERS-2, du 02 février Figure II-3 : Image de cohérence obtenue à partir des deux scènes ERS Figure II-4 : Ville et port de Nouakchott. Image d amplitude Figure II-5 : Ville et port de Nouakchott. Image de cohérence issue du traitement du couple de scènes SLC du 07 et 08 avril Figure II-6 : Extrait non filtré de la scène ERS1 du 19/07/1995 sur le Centre Spatial Guyanais (CSG).. 42 Figure II-7 : Centre Spatial guyanais. Résultat du filtrage multidate à partir de 5 scènes ERS au format PRI Figure II-8 : Fusion des contours détectés sur les deux images d amplitude et sur l image de cohérence associée Figure II-9 : Classification supervisée sur une image d amplitude Figure II-10 : Classification obtenue sur l image d amplitude issue de la scène ERS-1 07 avril Figure II-11 : Classification obtenue sur l image de cohérence du couple ERS-1, ERS-2 du 07 et 08 avril Figure II-12 : Coordonnées géographiques Figure II-13 : Méthode de passage de coordonnées géographiques entre deux systèmes Figure II-14 : Similitude de passage d un système à l autre Figure II-15 : Forme et hauteur du modèle de Géoïde GRIM Figure II-16 : Le géoïde et les différentes surfaces utilisées Figure II-17 : Géométrie d acquisition Figure II-18 : Distance entre la géodésique et l intersection du plan normal au vecteur vitesse du satellite et de l ellipsoïde Figure II-19 : Résumé des traitements géométriques Figure II-20 : Situation globale des points GPS Figure II-21 : Emplacements des 8 points GPS en Guyane Figure II-22 : Positionnement GPS au Cameroun, technicien de la SDCA Figure II-23 : Emplacement des mesures GPS au Cameroun... 61

9 Figure II-24 : Stratégie d acquisition GPS en Mauritanie Figure II-25 : Position globale et photo du site GPS mesuré sur un chalutier échoué Figure II-26 : Positionnement GPS, rond point, route de Rosso Figure II-27 : Alouette III de l aéronavale en vol Figure II-28 : Exemples de points de contrôle vus en mode descendant Figure II-29 : Perception d un point d altitude zéro sur images en mode montant et descendant Figure II-30 : Superposition des mesures trajectographiques GPS et la composition colorée ERS, site de la Montagne d Argent Figure II-31 : Nota sur les écarts de localisation engendrés par le positionnement par satellites avec la carte SHOM N Figure II-32 : Extrait de la mosaïque sur le golfe de Guinée. 15 scènes ont servi à construire cette mosaïque. Une seule orbite couvre l est de la spatiocarte Figure II-33 : Tour de lancement Ariane 4, vue successivement lors d acquisition en mode descendant et en mode montant Figure III-1 : Large des côtes camerounaises et nigérianes, scène ERS Figure III-2 : Scènes ERS-1 du 01/02/99 et ERS-2 du 02/02/99, estuaire du Wouri, Cameroun Figure III-3 : Région d Iracoubo, scène ERS du 09 juillet 1995, discontinuités des rugosités de surface) Figure III-4 : Banquise dérivant au large Figure III-5 : Même zone au large de la Mauritanie, vue par ERS à trois dates différentes Figure III-6 : Limites bathymétriques de la carte marine N 111 superposée à la scène ERS-1 du 15 décembre 1992, Estuaire de l Oyapock Figure III-7 : Mouvement des bancs de vase autour de la ville de Cayenne, déplacement des bancs de l Est vers l Ouest du site entre 1992 et Figure III-8 : Banc de vase à marée basse, est du chenal de Cayenne Figure III-9 : Dragage à l américaine, chenal de Cayenne Figure III-10 : Plage de Kourou Figure III-11 : Avertissement aux usagers d une plage recouverte par la mangrove au moment de la prise de vue (Cayenne 1992) Figure III-12 : Estuaire du Wouri, Cameroun. Scène ERS-1 du 23 août 1994, acquise quand le courant est le plus fort : à mi-marée descendante Figure III-13 : Scène ERS-2 du 30 octobre 1998 et carte marine du SHOM, estuaire du Gabon Figure III-14 : Onde de surface aperçue en mer au large des côtes gabonaises sur l image acquise le 30 octobre Figure III-15 : Composition colorée ERS, port de Douala, Figure III-16 : Scène ERS-2 du 30/10/98, façade atlantique côtes du Gabon Figure III-17 : Plage de sable, Gabon, façade atlantique Figure III-18 : Limite du continent glaciaire en Terre Adélie Figure III-19 : Abordage du rivage, Nouakchott Figure III-20 : Plage et port de Nouakchott Figure III-21 : Extrait carte IGN, édition Figure III-22 : Mauritanie, composition colorée, Figure III-23 : Mangroves à l ouest de Douala Figure III-24 : Extrait image d'amplitude Figure III-25 : Extrait de l image de cohérence Figure III-26 : Douala, composition colorée des trois images de cohérence des couples interférométriques acquis en phase tandem Figure III-27 et Figure III-28 : Scène ERS-2 du 30/10/98 et image de cohérence Figure III-29 : Estuaire du Wouri, Végétation et vase Figure III-30 : Palétuviers, estuaire du Gabon Figure III-31 : Différentes formations végétales vues par ERS (scène ERS-2, 1999) Figure III-32 : Ilot des pétrels, base Dumont d Urville, photo aérienne Figure III-33 : Composition colorée ERS sur l Aftout ès Sahéli et Sebkha de Ndrhamcha Figure III-34 : Image de cohérence, couple à une journée Figure III-35 : Image de cohérence, couple à 35 jours

10 Figure III-36 : Zones argileuses, embourbement d un véhicule Figure III-37 : Végétations rases, région côtière Figure III-38 : Banc de vase et végétation pionnière Figure III-39 : Vue aérienne d un site en érosion, à l ouest de Kourou, végétation dégradée en bordure côtière Figure III-40 : Différentes vues de la même zone de 1937 (carte marine) à 1999, région d Iracoubo Figure III-41 : Découpage du site d Iracoubo et Sinnamary selon les évolutions observées Figure III-42 : Evolutions du trait de côte entre 1937 et 1998, fond image, scène ERS-1 de Figure III-43 : Evolutions côtières en Guyane française de 1937 à 1998 (fond image mosaïque ERS, couverture ) Figure III-44 : Ilots rocheux, région ouest de Kourou Figure III-45 : Côte à l ouest de Kourou à marée haute (même site que figure III.34), au premier plan rochers, second plan végétation dégradée par la houle (agrandissement), ici forêt sur sable Figure III-46 : Estuaire de la Sanaga, composition colorée ERS Figure III-47 : Erosion, végétation dégradée, embouchure de la Sanaga Figure III-48 : Blocs de glaces en mer Figure III-49 : Scène ERS2, Figure III-50 : Composition colorée ERS Figure III-51 : Port de l Amitié, à gauche : zone de sédimentation, Figure III-52 : Vue aérienne du port de Nouakchott Figure III-53 : Phénomène d érosion/sédimentation autour d un bateau échoué au nord du port de Nouakchott Figure III-54 : Phénomène d érosion/sédimentation autour du port de Nouakchott Figure III-55 : Port de Douala, fusion ERS montant descendant Figure III-56 : Composition colorée ERS, bâtiments à quai, port de Douala, Figure III-57 : Ville de Douala, habitations, toits en tôle Figure III-58 : Port de Libreville, composition colorée Figure III-59 : Douala, composition colorée des trois images de cohérence des couples interférométriques acquis en phase tandem Figure III-60 : image de cohérence, région de Sinnamary, couple interférométrique ERS-1/ERS-2 du 14 et 15 avril Figure III-61 : Composition colorée images montantes (canal rouge et bleu) et descendante (canal vert), Nouakchott Figure III-62 : Axe routier, centre de Nouakchott Figure III-63 : Extrait image JERS1 (février 1993) Figure III-64 : Scène AIRSAR multibande acquise le 6 novembre Canal Rouge Bande C, C Vert : L, C Bleu P., polarisation VV. Région de Sinnamary Figure III-65 : Zoom sur la composition colorée de la figure III Figure III-66 : Scène AIRSAR multipolarisation Bande C, Canal Rouge polar HH, Vert : VV, Bleu : HV Figure III-67 : Scène AIRSAR multipolarisation Bande C, Canal Rouge polar HH, Vert : VV, Bleu : HV Figure III-68 : Aéroport de Douala, scène SAR aéroportée Figure III-69 : Végétations de mangrove, scène SAR aéroportée Figure III-70 : Limites bancs de vase-mer (A) et végétations-bancs(b) estuaire du Gabon. Scène ERS, image SPOT mono XS Figure III-71 : Discrimination forêts (1) et mangrove (2) sur images ERS et SPOT monocanal XS Figure III-72 : Extraits d une composition colorée ERS et de la scène SPOT XS sur le port de Douala Figure III-73 : Base Dumont d Urville, Extrait de la scène SPOT XS du 07 février Figure III-74 : Scène SPOT XS et interprétation du trait de côte de la scène SPOT XS du , Port de Nouakchott Figure III-75 : Scène ERS du 03 février 1996 et interprétation du trait de côte de la scène ERS du 16 août

11 Figure IV-1 : Articulation générale du traitement des images RSO dans la chaîne de production cartographique du choix des images radar à la fourniture des documents servant à la restitution finale Figure IV-2 : Sources des informations/traitements intervenant dans une carte marine Figure IV-4: Mosaïque RADAR Guyane, couverture Tableau IV-1 et Figure IV-5 : Liste des scènes utilisées par canal et emprise des images ERS (A) et de la carte au 1/ (B) Figure IV-6 : Composition colorée au 1/ de l île Bioko à l estuaire du Wouri Figure IV-7 : Point GPS acquis à l est de la zone sur la carte marine et visualisation sur la scène ERS de Figure IV-8 : Vue globale de la spatiocarte SPOT/RADAR sur la Terre Adélie Figure IV-9 : Vol trajectographique et scène ERS-2 du 12 octobre Figure IV-10 : Spatiocarte : Abords de Kourou, 1/ Figure IV-11 : Carte marine N 7380, abords de Kourou Figure IV-12 : Extrait de la carte SHOM N 7379, Cayenne Figure IV-13 : Composition colorée sur Cayenne, Canal Rouge scène ERS du 14/11/93, C Vert 29/11/92, C Bleu 03/05/ Figure IV-14 : Composition colorée ERS, estuaire du Wouri Figure IV-15 : Document de synthèse des interprétations Figure IV-16 : Nouvelle carte-marine sur l estuaire du Wouri (SHOM, N 7579) Figure IV-17 : Extrait de la scène SPOT XS sur Douala Figure IV-18 : Document de fusion/spot ERS Figure IV-19 : Extrait de la carte SHOM N 2386 de 1932, abords de Cayenne Figure IV-20 : Extrait de la carte 7380, ouest de Kourou 1/ Figure IV-21 : Extrait de la carte 7380 intégrant, le trait de côte «actuel», les limites extrêmes d expansion de la végétation, les rochers dans la mangrove et enfin le passage d un banc Figure IV-22 : Spatiocarte Estuaire de l Oyapock : composition colorée ERS et bathymétrie issue de la carte marine brésilienne N Figure IV-23 : Spatiocarte RADAR au 1/ sur l estuaire du Wouri Figure IV-24 : Spatiocarte RADAR, estuaire du Mahury à Cayenne, données ERS de Figure IV-25 : Spatiocarte RADAR, estuaire du Mahury à Cayenne Figure IV-26 : Zoom sur la spatiocarte et sondes bathymétriques

12 1 AVANT PROPOS. Les travaux présentés dans ce mémoire sont le fruit de la collaboration initiée en 1998, à l occasion de mon stage de DEA 2, entre l Université de Marne La Vallée (UMLV) et le Service Hydrographique et Océanographique de la Marine (SHOM). Durant trois années et demi, nous nous sommes consacrés à l étude du littoral 3 à travers essentiellement les images délivrées par les capteurs radar à Synthèse d Ouverture 4 (RSO) équipant les satellites européen ERS 1&2 ; images largement disponibles dans le cadre de projets scientifiques et d application soutenus par l Agence Spatiale Européenne (ESA). Nous ne nous sommes toutefois pas limités à l usage de ces seules images radar ERS, utilisant conjointement, selon les cas, soit des images optiques et radar, soit selon disponibilité des données radar d autre origine. Notre travail a pour objectif principal de développer une méthode d utilisation des données spatiales radar en vue de faciliter la création et la réactualisation des cartes marine. Dans le terme «faciliter», nous entendons que notre approche a pour but d accélérer et d enrichir le travail des cartographes, et, sur un plan économique, de réduire certains coûts de mise en œuvre (par exemple en ciblant mieux les travaux de terrain dans les zones dangereuses à la navigation ou en limitant selon les échelles une éventuelle couverture aérienne). Afin de pouvoir valider nos travaux sur un plan opérationnel, nous avons également souhaité pouvoir déboucher sur des réalisations cartographiques dans des conditions normales de production. Nous avons eu la chance, ces deux dernières années, de nous voir proposer plusieurs interventions de ce type par l atelier de cartographie du SHOM auxquelles nous avons pu consacrer une partie de notre temps. 2 DEA SIG (Sciences de l Information Géographique) ; titre du mémoire : Apport des images RSO à la cartographie du littoral. 3 La définition du terme environnement littoral suppose l existence d un sujet central qui est l homme (encyclopédie de La Mer, Echiuriens Gerbault 1973). L «homme» peut tout à la fois être aménageur du littoral, marin, touriste, agriculteur Les caractéristiques de cet environnement seront différemment perçues par chacun de ces intervenants. La notion environnement littoral est en cours de définition dans le cadre du Conseil National d Information Géographique. Pour cette étude, nous nous placerons du point de vue du marin et nous définirons comme limites spatiales du littoral, le domaine comprenant en mer, les zones de faibles profondeurs où la navigation est délicate, les zones d activités marines proches de la côte, l estran et, à terre, une bande d une dizaine de kilomètres de large. 4 En anglais : SAR Synthetic Aperture Radar.

13 Introduction générale 2 INTRODUCTION GENERALE. Dans cette introduction, nous présenterons tout d'abord le contexte des travaux cartographiques au Service Hydrographique de la Marine, organisme qui fut notre partenaire privilégié tout au long de notre étude. Nous passerons ensuite brièvement en revue quelques réalisations cartographiques à partir des images Radar à Synthèse d'ouverture. Pour finir, nous préciserons le contenu de ce mémoire. La Carte Marine au SHOM. Le Service Hydrographique et Océanographique de la Marine est l un des trois organismes cartographiques de l état avec l Institut Géographique National (IGN) et le Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM). Le SHOM a, entre autres rôles, celui de diffuser l'information assurant la sécurité nautique pour l espace marin français mais aussi pour plusieurs zones de responsabilité historique (Afrique Occidentale, Afrique Noire, Golfe d'aden, Viêt- Nam ). Sur ces grandes étendues, l actualité des cartes marines est hétérogène, certaines d entre elles ont été réalisées au début du siècle. La carte marine est avant tout un outil de navigation. Elle contient 3 types d informations : le premier concerne la sécurité du marin en mer (bathymétrie, trait de côte, laisse de basse mer, accès aux chenaux), le second concerne sa localisation de visu sur la frange côtière (présence de phares, reliefs aperçus en mer sur la côte, végétation côtière) et le type de services attendus par le navigateur entrant dans la région avoisinant son mouillage (formes des bassins, réseau routier, agglomérations, toponymie). Une carte de qualité limite les risques liés à la navigation en mer : naufrages, pollutions marines. La plupart des navigateurs utilisent les cartes marines «papier» mais depuis quelques années le SHOM s est lancé dans la production de cartes numériques. Ces cartes s adressent essentiellement à la marine nationale et à la marine marchande. Couplés avec le système de positionnement de bord, ces documents permettent la visualisation en temps réel de la position du navire sur un fond cartographique. Les données internes à la carte étant sous forme vectorielle 5, des alarmes peuvent être mises 5 La représentation par points, lignes ou polygones, de données spatiales codées selon leurs origines, leurs points d'inflexion et leurs terminaisons. (source : Glossaire du Centre Canadien de Télédétection

14 Introduction générale 3 en place ; celles-ci prennent en compte, d une part, la position et le tirant d eau du navire et, d autre part, les lignes isobathymétriques. La visualisation de jour et de nuit (inversion des couleurs, fréquences et secteurs des feux etc ) permet une meilleure approche du milieu côtier. Entrée du chenal du Mahury à Cayenne, extrait de la carte SHOM N 2459 (1932) informant sur les sondes bathymétriques, les lignes isobathes, la limite de l estran, les îles et îlots rocheux. Dans le passé, les cartes marines étaient exclusivement établies à partir d observations faites sur le terrain (travaux topographiques à terre + sondage bathymétrique). Les premières cartes apparurent aux Pays Bas à la fin du 16 ème siècle [BES 97]. La localisation des objets était assurée par des mesures d angles et de distances par rapport à un ou plusieurs points fondamentaux positionnés selon les astres. La fin de la première guerre mondiale voit le début de l utilisation de photographies aériennes en hydrographie française. Le SHOM s équipe d une chaîne de restitution photogrammétrique en 1983 [BES 87]. En complément ou en remplacement des photographies aériennes, l'utilisation de l'imagerie spatiale optique a été initiée à la fin des années 70 et s'est développée en cartographie marine dans les années qui ont suivi le lancement de SPOT 1. Les services rendus sont alors d'autant plus appréciables que la transparence de l'eau permet d'estimer la profondeur à partir des mesures multibandes. Cet avantage vaut particulièrement pour les zones pauvrement dotées de mesures bathymétriques classiques. Malheureusement, les régions tropicales humides et à forte nébulosité sont souvent mal couvertes par l imagerie optique pour des raisons climatiques. Le cartographe est demandeur d un système de télédétection non perturbé par la couverture nuageuse ; les images radar apportent cet avantage. (CCT).

15 Introduction générale 4 Quelques réalisations cartographiques à partir d images RADAR à Synthèse d Ouverture (RSO). En cartographie terrestre, l apport de l imagerie RSO a été remarqué à travers les réalisations menées en Guyane par la Délégation Générale de l Armement [STAT 98] en collaboration avec IGN Espace et des laboratoires universitaires. Des spatiocartes radar à l échelle du 1/ ont été produites et couvrent la totalité du territoire du département. Elles sont enrichies d une surcharge graphique reproduisant l information des cartes topographiques classiques (toponymie, réseau routier..). Une cartographie complète ainsi qu un modèle numérique de terrain ont également été réalisés récemment sur le Gabon [CAN 00] à partir d une double couverture stéréoscopique d images Radarsat. Remarquons que la réalisation de modèles numériques de terrain sur de larges espaces ne passe pas obligatoirement par l exploitation de couples stéréoscopiques comme nous venons de l évoquer pour le Gabon. C est ainsi que la mission SRTM (Shuttle Radar Topography and Mapping) menée par la NASA et embarquée sur la navette américaine Endeavour tente de réaliser un Modèle Numérique de Terrain mondial avec un pas de 30 mètres en utilisant la technique interférométrique [GES+ 01]. Notons par ailleurs, que le BRGM utilise fréquemment des images radar pour améliorer les cartes géologiques [DER+ 93]. Dans le domaine de la cartographie marine, les travaux de la société ARGOSS aux Pays Bas ont débouché sur l intégration dans quelques cartes marines néerlandaises et belges, de la bathymétrie obtenue par traitement des scènes radar ERS et aéroportées ([CAL+ 01] cf. Annexe A 9), mais ces résultats semblent malheureusement difficilement généralisables. Des images ERS sont aussi utilisées comme données in situ pour le routage des navires en Arctique.

16 Introduction générale 5 Plan du mémoire. L imagerie RADAR est a priori l outil de télédétection le plus approprié pour des couvertures complètes des régions à forte nébulosité. C est dans le cadre de projets d'application soutenus par l'agence Spatiale Européenne qu un programme de recherche a été lancé en 1997, associant en particulier l'université de Marne La Vallée et le SHOM, en vue d'évaluer le potentiel de l'imagerie spatiale RSO pour la cartographie à partir de données satellitaires radar. C'est dans ce contexte que nous nous sommes intéressés plus spécialement à la cartographie marine. Ce mémoire décrit successivement les sites d études et les bases de données, la méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine, les apports thématiques des images ERS pour la cartographie marine et les réalisations cartographiques. Les sites d études et les bases de données (Chapitre 1). Les sites étudiés seront en milieu tropical humide la Guyane et dans le Golfe de Guinée, le Cameroun et le Gabon ; en milieu polaire, la Terre Adélie ; en milieu inter-tropical aride, la Mauritanie. En milieu tropical humide, l intérêt des données RSO est évident compte tenu de la couverture nuageuse quasi permanente. En plus, comme nous le verrons en Guyane, les acquisitions régulières de données satellitaires radar facilitent le suivi des évolutions côtières. Sur la Terre Adélie, les scènes satellitaires doivent être acquises à la fin de l été austral quand la mer est libre de glaces ; ce qui correspond approximativement à des dates comprises entre le 15 janvier et le 15 février. Dans ces conditions, il existe peu d images optiques car la fenêtre d acquisition est courte. Pour aborder la question de la mise à jour cartographique dans cette région, l'usage combiné de données radar et SPOT nous est apparu particulièrement pertinent car il permet d'allier l'aptitude des premières à assurer rapidement de vastes couvertures spatiales avec la capacité des secondes à faciliter la "lecture" des différents états de surface que l'on rencontre dans cette région. En complément de ces sites présentant une forte nébulosité, le littoral mauritanien a été retenu pour savoir quel pourrait être l'apport original des images RSO dans un contexte ou les scènes optiques sont facilement disponibles et, a priori, plus pratiques d'utilisation que les images radar. Sur chaque site d étude, nous présenterons successivement le contexte environnemental côtier, les caractéristiques des scènes satellitaires disponibles, des données géographiques complémentaires (cartes marines, topographiques) et enfin les objectifs cartographiques propres au littoral concerné qui feront l objet de développements dans la suite de notre étude.

17 Introduction générale 6 Méthodologie d emploi des images RADAR en cartographie marine (Chapitre 2). L'utilisation des images radar en cartographie marine demande la mise en œuvre de traitements radiométriques et géométriques : Les traitements radiométriques comporteront principalement pour nous l usage d algorithmes connus et de logiciels déjà existants pour le filtrage du chatoiement sur les images d amplitude, la génération des images de cohérence à partir de données complexes et l'extraction automatique d'informations sur les images d'amplitude et de cohérence (portant principalement sur le trait de côte et l'occupation du sol). En ce qui concerne les traitements géométriques, nous avons jugé nécessaire de développer un outil de géoréférencement pour les scènes ERS. Cet outil demande de connaître l orbitographie du satellite, la forme du géoïde et la géométrie interne des données satellitaires. La validation des résultats obtenus s'appuiera sur la prise en compte de points de contrôle au sol et sur la comparaison d images acquises en orbites montante et descendante. Apports thématiques des images radar ERS pour la cartographie marine (Chapitre 3). L interprétation des images traitées se fera sur les thèmes intéressant la cartographie marine : en mer, au large et sur les zones de petits fonds proches de la côte, sur l estran, et enfin, à terre, sur les végétations côtières et les zones anthropisées. D autres données de télédétection (images optiques et autres données RSO) pourront être utilisées, selon les disponibilités, pour enrichir notre propos. Réalisations cartographiques (Chapitre 4). Nous présenterons, dans ce quatrième chapitre, les réalisations cartographiques auxquelles nous avons participé. Nous proposerons ensuite de nouveaux produits cartographiques utilisant un fond d images radar et l information vectorielle issue des documents nautiques plus anciens, ces produits pouvant venir pallier l absence de cartes marines actualisées dans les zones en fortes évolutions. Trois annexes suivront le corps principal du mémoire. Annexe A : Aide mémoire sur le principe de l imagerie Radar à Synthèse d Ouverture. Annexe B : Présentation du Service Hydrographique et Océanographique de la Marine. Annexe C : Rapport de la campagne GPS effectuée en Mauritanie (fiches de statio ;ns) pour la validation de notre outil de géoréférencement. De manière à rendre le plus explicite possible ce mémoire, nous nous efforcerons d illustrer notre propos d un grand nombre d extraits d images spatiales et de photographies de terrain.

18 Chapitre I Sites d études et bases de données 7 CHAPITRE I DONNEES. SITES D ETUDES ET BASES DE La présentation des cinq sites littoraux, qui vont être étudiés grâce aux images radar à synthèse d ouverture, fait l objet de ce premier chapitre. Ces sites sont en partie localisés en milieu tropical humide (Guyane française, Cameroun et Gabon), en milieu polaire (Terre Adélie) et enfin en milieu inter-tropical aride (Mauritanie). Sur chacun de ces sites, nous présenterons successivement les grandes caractéristiques géographiques du milieu, la nature et le contenu des bases de données images et cartes disponibles puis nous discuterons de l intérêt de la région d étude pour la cartographie marine.

19 Chapitre I Sites d études et bases de données 8 I.1. Guyane française. I.1.1. Contexte. Situation géographique : Située en Amérique du Sud entre les latitudes 2.5 et 5.5 nord et les longitudes 51.5 et 54.5 ouest. Pays limitrophes : Brésil et Surinam. Superficie : km² (France : km²). Façade atlantique : environ 350 km de côtes. Démographie : habitants en 1999 [source INSEE]. ( en 1990 et en 1984). Villes principales : Cayenne : habitants, Kourou : habitants. Vie économique : Activités générées par le Centre Spatial Guyanais, pêche, orpaillage. Climat : Grande saison sèche : ~août à décembre. Petite saison sèche : février et mars. Grande saison des pluies : ~ avril à août. Petite saison des pluies: déc à janvier. Vents dominants : Alizés du NE (saison des pluies) ou de l Est (saison sèche). Ce département a l originalité d être situé dans une région dont la dynamique sédimentaire côtière est unique au monde. Le fleuve Amazone qui se jette dans l Atlantique 500 km à l'ouest du département transporte environ un milliard de tonnes d alluvions par an. Sur cette masse, plus de la moitié se dépose sur le plateau continental autour de l embouchure du fleuve. Le reste, est transporté en suspension sous l'influence du courant des Guyane et se dépose plus à l ouest sous forme de bancs de vase côtiers qui transitent le long des côtes jusqu au delta de l Orénoque transitent sous l effet de la dynamique littorale. Ce dernier phénomène représente un transit d'environ 100 millions de tonnes par an [FRO+ 88]. Ces bancs de vase côtiers, dont la partie émergée est longue de 20 à 40 km à marée basse, sont répartis de manière assez régulière le long de la côte. Il existe actuellement 5 bancs entre l embouchure de l Oyapock (fleuve frontière avec le Brésil) et celui du Maroni (fleuve frontière avec le Surinam).

20 Chapitre I Sites d études et bases de données 9 Marée : Courants : Houle : Mer : Courantométrie, marée, houle Type : semi-diurne (2 hautes mers par jour séparées de 12 heures et de hauteur équivalente). Marnage : de 1 à 2 mètres. Courant dominant : courant dit des Guyanes. Direction, sens : Nord-ouest. Vitesse maximum : 2 m.s -1. Direction, sens : Nord-Est. Amplitude : 2 mètres sur fond de 10 mètres. Bathymétrie côtière : Très peu de fonds dans le domaine proche côtier : Isobathe 5 mètres à 10 km, Isobathe 50 mètres à 50 km du trait de côte. Géologie, sédimentologie côtière : Sédimentologie : Apport sédimentaire provenant du fleuve Amazone et venant se déposer le long de la côte sous la forme de bancs de vase ; transfert représentant environ 100 millions de tonnes par an [FRO+ 88]. Nature des sols : Les anciens cordons sableux délimitent au nord une zone de vases et sables et au sud dans la plaine côtière une région de sables et de terres argileuses [cf. figure I.1]. Paysages côtiers. Estran : Très peu de plages de sable, la zone intertidale est constituée majoritairement de vases. Réseau hydrographique : Nombreuses rivières et criques se jettent dans la mer en formant de longs estuaires, d est en ouest : Oyapock, Approuague, Mahury, Larivot, Kourou, Sinnamary, Counamama, Iracoubo, Mana, Maroni. Végétation côtière et zones humides : Au nord des cordons sableux: mangroves. Au sud : forêts sur sable, forêts galeries, savanes sèches, savanes inondées. Reliefs : Peu de reliefs sur la côte exceptés autour de Cayenne (mont Tigre : 200 m), Kourou, Kaw. La présence simultanée de cette charge sédimentaire, d un courant général SE- NO et d une houle régulière du nord-est engendre sur le littoral guyanais une succession de phénomènes d érosion, accompagnés de la destruction de la mangrove côtière, et de phénomènes de sédimentation, accompagnés de la formation des bancs de vase évoqués précédemment. Il résulte de cette alternance «érosion-sédimentation» des évolutions rapides du paysage littoral qui concernent aussi bien le trait de côte que la bathymétrie par faible fond, et plus spécifiquement l apparition et la disparition d obstacles à la navigation (têtes rocheuses, par exemple, en fonction du niveau de sédimentation [YAY 37]).

21 Chapitre I Sites d études et bases de données 10 I.1.2. Base de données images et cartes de Guyane. 1. Images satellites. La base de données images est essentiellement composée d images satellites radar à ouverture synthétique. Nous disposons également en archive de 9 images optiques. La Guyane française est le site où la base de données images est la plus fournie. Images radar. Les images ERS disponibles (cf. tableau I.2) ont été obtenues dans le cadre des projets ESA N AO-311 et ID-539 (responsable UMLV). N Site Capteur Date 1 Kourou JERS Octobre 93 2 Bande L Octobre 94 3 Mana 4 Sinnamary Airsar Bande L, C et P Cayenne Tableau I-1 : Autres données radar RSO. Figure I-1 : Emprise des scènes satellitaires RSO en Guyane (A : scènes ERS acquises en mode descendant, B : ascendant, C : scènes RSO aéroportées Airsar, D : scènes JERS).

22 Chapitre I Sites d études et bases de données 11 Figure I-2 : Présentation schématique du site de Guyane, situation globale en (1 : bancs de vase, 2 : mangroves). La végétation de mangrove occupe une bande côtière de 1 à 10 km de large, nous pouvons remarquer que les bancs de vase sont distribués régulièrement le long de la côte.

23 Chapitre I Sites d études et bases de données 12 N Site Satellite Orbite Frame M Date Heure (TU) Hauteur d'eau (m) Port de référence. Région (PM 3.3 BM 0.9) marée descendante Cayenne Port de Dégrad des Cannes (PM 3.1 BM 1.3) marée descendante (sur le Mahury cf. figure I.2) (PM 2.9 BM 1.5) marée descendante 4 ERS (PM 3.0 BM 1.5) marée descendante 5 Kourou - Cayenne D h (PM 2.9 BM 1.3) marée descendante (PM 2.7 BM 1.4.) marée montante (PM 3.4 BM 1.0) marée descendante 8 ERS (PM 3.2 BM 0.8) marée montante (PM 3.1 BM 1.2) marée montante (PM 3.4 BM 0.8) marée descendante Iles du Salut (PM 2.8 BM 1.4) marée descendante (PM 2.9 BM 1.3) marée montante 13 ERS (PM 2.7 BM 1.2) marée montante 14 Sinnamary (PM 3.1 BM 1.0) marée descendante D h (PM 2.8 BM 1.1) marée montante * (PM 3.1 BM 1.2) marée montante * (PM 3.2 BM 1.1) marée montante 18 ERS (PM 2.6 BM 1.5) marée descendante (PM 3.0 BM 1.3) marée montante (PM 3.2 BM 0.8) marée descendante A h (PM 3.4 BM 0.8) marée descendante (PM 3.7 BM 1.3) marée descendante Pointe des Hattes. 23 Nord Maroni ERS D h (PM 3.3 BM 1.7) marée montante (PM 3.4 BM 1.6) marée montante (PM 3.7 BM 1.3) marée descendante (PM 3.3 BM 1.7) marée montante (PM 3.2 BM 2.1) marée descendante (PM 3.3 BM 1.4) marée montante Pointe des Hattes. (A St Laurent du Maroni, Pleine Mer 1h05 et Basse Mer 2h40 en retard par rapport à la pointe des Hattes.) 29 St Laurent du Maroni (PM 3.4 BM 1.6) marée montante 30 ERS D h (PM 3.7 BM 1.2) marée descendante (PM 3.5 BM 1.6) marée descendante (PM 3.6 BM 1.7) marée descendante 33 ERS (PM 3.6 BM 1.8) marée montante A h (PM 3.7 BM 1.6) marée montante 35 ERS (PM 3.2 BM 1.2) marée descendante 36 Régina St Georges D h (PM 3.1 BM 1.2) marée descendante 37 ERS (PM 2.9 BM 1.2) marée montante (PM 3.2 BM 0.9) marée montante Volume de la base de données 5.5 giga octets Tableau I-2 : Base de données ERS. (* Scène SLC M= mode : D = descendant, A = ascendant) cf. note page suivante. Cayenne Port de Dégrad des Cannes (A la Montagne d Argent, Pleine Mer et Basse Mer 0h40 en retard par rapport à Cayenne.) 1 6 5

24 Chapitre I Sites d études et bases de données 13 Note sur le tableau I.2. Format des images : Format SLC : Single Look Complex. Produit d environ lignes * 4903 colonnes chaque pixel est codé sur 32 bits (16 bits partie réelle, 16 bits partie imaginaire). Géométrie en distance, résolution du pixel : ~4 m en azimut et ~8 m en distance. Données utilisées en interférométrie, pour la génération d images de cohérence (cf. II.2.1). Les autres données sont au format PRI : PRecision Image. ~8200*8006 codé sur 16 bits. Géométrie terrestre et taille du pixel de 12,5 * 12,5 m. Images optiques. Plusieurs images optiques relativement anciennes (SPOT de 1988 et Landsat 1976) sont disponibles sur la zone d étude dans les archives du SHOM et se présentent sous forme de films plastiques. Elles ont été scannées pour être intégrées à la base de données. Des nuages sont présents sur toutes les images (figure I-5 et I-6), ce qui montre bien la difficulté d acquérir des images exploitables dans ce contexte tropical humide. N Site Satellite Date Région (fig I.3) 1 Maroni Sinnamary Landsat MSS Cayenne Oyapock Mana Sinnamary SPOT XS Maroni Tableau I-3 : Données satellitaires optiques et Figure I-3 : Emprise des scènes satellitaires optiques en Guyane (A : scènes LANDSAT, B : scènes SPOT). Figure I-4 : Vue générale de la scène ERS-2 du 24 septembre 1999, estuaire de l Oyapock, (région 5, figure I.1).

25 Chapitre I Sites d études et bases de données 14 Figure I-5 : Scène Landsat du 30 août 1976, Région de Sinnamary Iracoubo (région 2, figure I.3). Figure I-6 : Scène Spot du 26 octobre 1986, Région de Sinnamary Iracoubo (région 4, figure I.3). On remarquera, sur les figures I.5 et I.6, la présence d une couverture nuageuse perturbant la lecture de l image.

26 Chapitre I Sites d études et bases de données Cartographie existante. Cartes marines. Il existe un jeu de cartes marines sur tout le département. Celles-ci datent pour la plupart des années 1937 et 1938, période où une mission hydrographique travailla en continu sur la zone concernée. Depuis 1998, le SHOM met à jour, étape par étape, le jeu de cartes sur la Guyane. Echelles : Les échelles sont diverses, allant du 1/ (entrée du port de Larivot à Cayenne de 1999) au 1/ (carte générale de Guyane, 1953). Des coupures à grande échelle existent pour les entrées des ports de Cayenne, Kourou, Sinnamary et St Laurent du Maroni. Par contre, certaines sections de la côte ne sont cartographiées qu à petite échelle. Systèmes géodésiques utilisés : Les anciennes cartes marines de la région (dont certaines sont toujours utilisées) ont été établies dans des systèmes locaux basés sur des séries de mesures astrogéodésiques. Les paramètres de passage vers d autres systèmes géodésiques sont totalement inconnus. Les cartes les plus récentes ont été réalisées en projection Mercator sur le système géodésique WGS84. Une carte brésilienne faisant partie du portefeuille et couvrant l Est du département a été établie dans un système brésilien nommé Corrego-Allegre. N Site Echelle. Date d'édition Editeur 2386 Abords de Cayenne SHOM 2459 Côte de Cayenne SHOM 5883 Fleuve Maroni SHOM 5884 Rivière de Sinnamary SHOM 6058 Fleuve Maroni SHOM 6131 Côte de la Guyane française SHOM BR 110 Baie de l'oyapock Service Hydro brésilien 7377 Port de Cayenne - Larivot SHOM 7378 Accès au Dégrad des Cannes SHOM 7480 Accès au fleuve Kourou SHOM 7481 Approches de Kourou SHOM Tableau I-4. Inventaire des Cartes marines en Guyane française. Autres données cartographiques. Nous disposons également de quelques cartes de natures différentes. Type de cartes Producteur Echelle Année(s) Système géodésique Couverture Topographiques IGN 1/ RGFG95 Littoral Géologiques Min de l Ind et du Commerce 1/ à 1962? De l Oyapock à Sinnamary. Spatiocarte DGA* DGA/IGN- 1/ CSG67 Littoral Espace Tableau I-5 : Autres cartes de la base de données. *Ces spatiocartes (tableau I.5) ont été réalisées par IGN-Espace au profit de la DGA [HAU+ 97] [TON+ 97]. Elles comportent un fond image issu du traitement d une couverture ERS de 1992 et 1993 et d une couche vectorielle (réseau routier, toponymie ) extraite des cartes IGN.

27 Chapitre I Sites d études et bases de données 16 I.1.3. Objectifs d étude en Guyane. Les évolutions côtières évoquées en I.1.1 provoquent de réels problèmes dans la gestion de la zone littorale : navigation maritime mais aussi réglementation et contrôle de la pêche, délimitation des frontières marines avec les états voisins du territoire (Surinam et Brésil), implantation et entretien des chenaux des ports de commerce. La disponibilité de documents nautiques actualisés est donc indispensable dans ces régions fortement évolutives. Hélas les cartes marines existantes sont vieilles, leur fréquence de réactualisation est faible (en moyenne, une dizaine d année pour la Guyane) et lente (parfois une année entre la réception des documents et l impression). Le rythme d actualisation cartographique ne permet donc pas d intégrer les évolutions côtières aussi souvent qu il serait souhaitable pour répondre aux demandes des utilisateurs. Trois objectifs guideront nos travaux sur ce site : Démontrer l intérêt des images RSO pour le suivi des évolutions côtières observées sur le littoral guyanais. Intégrer les résultats des interprétations dans la chaîne de réactualisation des cartes marines classiques. Proposer des documents cartographiques qui soient simples et rapides à actualiser, documents tenant compte des évolutions côtières et pouvant ainsi compléter à intervalles réguliers les cartes classiques. Figure I-7 : Vue de la carte marine de Cayenne N 2459, de 1932.

28 Chapitre I Sites d études et bases de données 17 I.2. Golfe de Guinée. I.2.1. Cameroun. 1. Contexte. Le site étudié au Cameroun s étend de la frontière du Nigeria à celle de la Guinée équatoriale. Le littoral camerounais présente différents faciès : plages au sud, mangrove dans les estuaires et côtes découpées autour du Mont Cameroun. Situation géographique : Afrique entre les latitudes N02 et N12 et longitudes E08 et E15. Pays limitrophes : Nigeria, Tchad, République centrafricaine, République Démocratique du Congo, Gabon, Guinée équatoriale. Superficie : km². Façade atlantique : environ 400 km de côtes. Démographie : d habitants. Villes principales : Douala : hab, Yaoundé : hab. Vie économique : Agriculture, Ressources minières. Climat : Tropical humide. Marée : Type : semi-diurne Marnage : de 1 à 2 mètres. Mer : marée, houle. Paysages côtiers. Réseau hydrographique : Plusieurs estuaires importants (rivière Cross le long de la frontière du Nigeria, estuaire du Wouri et, plus au sud, les fleuves Sanaga et Nyong). Estran : Sur la façade océanique : plages de sables, de roches volcaniques (Limbé). Dans les estuaires : vases. Végétations côtières : Mangrove dans les estuaires (Wouri, frontière avec le Nigeria) (figure I.7), Forêt, plantations. Reliefs : Peu de reliefs sur la côte hormis le massif du mont Cameroun qui culmine à 4005 mètres. Le site du Cameroun ne présente pas d évolutions aussi importantes que celles mentionnées en Guyane. La végétation de mangrove (grande diversité d'espèces) qui se développe à l abri, dans l estuaire du Wouri, subit néanmoins les influences liées à la croissance de la ville de Douala et à celle de son trafic portuaire (pollutions, habitat sauvage, vagues générées par le déplacement des navires) [BAL+ 95].

29 Chapitre I Sites d études et bases de données 18 Figure I-8 : Présentation schématique du site du Cameroun (1 : mangroves, 2 : bancs de vase/sable). 2. Base de données images et cartes. a. Images satellites. Scènes radar. Les images radar ERS du Cameroun sont issues du projet ESA AOL-F203 "Spatialisation des caractéristiques géochimiques et physiques des sédiments littoraux à végétation de mangrove dans la région de Douala et de la côte sud-ouest du Cameroun" (responsable UMLV). La base de données est constituée d images Single Look Complex et PRI en modes ascendant et descendant pour un total de 26 images. Mosaïques JERS : Deux mosaïques JERS traitées par la NASDA datant de janvier-mars et octobrenovembre 1996 couvrent la totalité du littoral allant du Nigeria au Congo. La taille du pixel est d environ 100 mètres.

30 Chapitre I Sites d études et bases de données 19 N Site. Satellite Orbite. Frame M Date. Heure. Hauteur d'eau Port de référence. D I D I Région. ( // ) ( ) 1 ERS * (PM 2.5 BM 0.3) descendante Douala ERS * (PM 2.5 BM 0.4) descendante (A la sortie de l estuaire, 3 ERS * (PM 2.1 BM 0.7) descendante Pleine Mer 0h20 et Basse Douala, estuaire ERS * 3519 D h42 Mer 0h55 en avance par 1.9 (PM 2.0 BM 0.7) montante rapport à Douala.) 5 du Wouri. ERS * (PM 2.2 BM 0.4) descendante ERS2 5272* (PM 2.1 BM 0.5) descendante (PM 2.6 BM 0.3) descendante 8 ERS A h (PM 2.6 BM 0.6) descendante 3 9 ERS (PM 2.5 BM 0.3) descendante Douala * 3537 D h (PM 2.6 BM 0.2) descendante (A l embouchure de la Sanaga ERS * (PM 2.6 BM 0.3) descendante Sanaga, Pleine Mer 1h20 et Basse Mer 1h30 en 12 ERS A h (PM 2.6 BM 0.6) descendante 2 avance / Douala.) 13 Ile de Bioko ERS * 3537 D h (PM 2.5 BM 0.3) descendante Douala ERS * (PM 2.4 BM 0.3) descendante (Avance :?). 15 ERS (PM 2.2 BM 0.9) montante Douala * (PM 2.2 BM 0.7) montante (Avance :?) ERS * (PM 1.9 BM 0.8) montante 18 Mont ERS * 3519 D h (PM 2.5 BM 0.3) descendante Cameroun ERS * (PM 2.4 BM 0.3) descendante 20 ERS * (PM 2.7 BM 0.3) descendante ERS * (PM 2.6 BM 0.4) descendante 22 ERS A h (PM 3.2 BM 0.4) descendante 4 23 Frontière ERS A h (PM 3.2 BM 0.7) descendante Douala 5 24 Nigeria D h (PM 2.5 BM 0.3) descendante Frontière ERS (PM 2.5 BM 0.3) descendante Douala 6 26 Guinée A h (PM 2.6 BM 0.6) descendante 1 équatoriale, Volume de la base de données 9 giga octets Tableau I-6 : Base de données ERS. (* Scène SLC (Single Look Complex), M= mode : D = descendant, A = ascendant, D I : Distance Inter-orbitale).

31 Chapitre I Sites d études et bases de données 20 Images optiques. Les images satellitales optiques sur la région de Douala sont au nombre de deux scènes SPOT. Leurs caractéristiques sont les suivantes : Zone couverte. Satellite. Niveau Mode. Date. Douala. SPOT3 1A XS Douala, Manoca. SPOT3 1A Pancro Tableau I-7 : Scènes SPOT disponibles (base de données spatiales du SHOM) sur la zone. La scène SPOT XS a été rectifiée géométriquement à partir de points d appui existants sur la ville de Douala. La présence de nuages peut à nouveau être remarquée comme dans le cas de la Guyane (cf. I.1.3). Figure I-9 : Emprise des scènes satellitaires RSO au Cameroun (1. scènes ERS mode montant, 2 : scènes ERS mode descendant, 3 : scènes SPOT). b. Cartographie existante. Type de cartes Producteur Echelle Année(s) Système géodésique Couverture Marines SHOM * 1/ Système local Estuaire du 1/ WGS84 Wouri. Topographiques IGN 1/ Système local Littoral JOG 1/ Système local Littoral Tableau I-8 : Base de données cartographiques. La cartographie existante est ancienne ou issue de levés anciens et établie dans un système local dont les paramètres de passage vers un système mondial sont inconnus.

32 Chapitre I Sites d études et bases de données 21 I.2.2. Gabon. 1. Contexte. La région d étude est située autour de l estuaire du Gabon (Komo) près de Libreville. Cette zone a subi de profondes modifications depuis une trentaine d années du fait de l exploitation de la forêt tropicale [NZI+ 00] puis de gisements pétroliers offshore entraînant une augmentation du trafic dans le port de Libreville. Situation géographique : Afrique entre les latitudes S04 et N02 et longitudes E08 et E15. Pays limitrophes : Guinée équatoriale, Cameroun, République Démocratique du Congo. Superficie : km². Façade atlantique : environ 900 km de côtes. Démographie : d habitants. Villes principales : Libreville : hab, Port Gentil : hab. Vie économique : Agriculture, Exportation de bois tropicaux, Ressources minières et pétrolières. Climat : Tropical humide. Mer : marée. Marée : Type : semi-diurne Marnage : de 1 à 2 mètres. Paysages côtiers. Estran : Sur la façade océanique : plages de sable. Dans les estuaires : vase. Végétations côtières : Mangrove dans les estuaires (Gabon), Forêt tropicale (cf. figure I.9), savane..

33 Chapitre I Sites d études et bases de données 22 Figure I-10 : Présentation schématique du site du Gabon (1 : mangroves, 2 : bancs de vase/sable).

34 Chapitre I Sites d études et bases de données Base de données images et cartes au Gabon. a. Images satellitaires. Images radar. Deux couples ERS SLC en phase tandem sont disponibles sur la région de Libreville. N Site Satellite Orbite Frame Mode Date Heure Hauteur d'eau (m) (port de référence Libreville) 1 ERS * (PM 1.6 BM 1.1) montante 2 ERS * h (PM 1.7 BM 1.0) montante 3 ERS * 7191 A (PM 1.9 BM 0.8) montante 4 Libreville. ERS * (PM 2.0 BM 0.7) montante 5 ERS * 3591 D h (PM 1.9 BM 0.6) descendante 6 ERS * (PM 2.1 BM 0.3) descendante Distance interorbitale ( // ) (m) Tableau I-9 : Base de données ERS. (* Scène SLC (Single Look Complex) M= mode : D = descendant, A = ascendant). Distance interorbitale ( ) (m)

35 Chapitre I Sites d études et bases de données 24 Les deux mosaïques JERS évoquées dans la base de données au Cameroun, couvrent aussi la région d intérêt au Gabon. Image optique. L image SPOT disponible est d une très bonne qualité et ne présente aucune trace de nuage. N Site Satellite Niveau Mode. Date Hauteur d'eau (m) (port de référence Libreville) 1 Libreville. SPOT 4 1A Mono (canal rouge à 10 mètres) (PM 1.6 BM 0.7) descendante Tableau I-10 :Scène optique au Gabon. Tableau I-11 : Emprise des scènes satellitaires RSO au Gabon (A : scène SPOT, B : scène ERS mode montant, C :scène ERS mode descendant).. 3. Cartographie existante. Type de cartes Producteur Echelle Année(s) Système géodésique Couverture 1/ Baie de Corisco. Marines SHOM 1/ Système local Estuaire du Gabon 1/ Cap Esterias, pointe du Gabon Tableau I-12 : Base de données cartographiques.

36 Chapitre I Sites d études et bases de données 25 I.2.3. Objectifs d étude dans le Golfe de Guinée. L exploitation des gisements d hydrocarbures et l activité générée par les ports de Douala et de Libreville ont rapproché les pays du Golfe de Guinée des grandes routes maritimes de navigation. L augmentation du trafic nécessite plus que par le passé l actualisation des cartes marines sur la zone. Le SHOM se charge actuellement de la mise à jour des documents nautiques sur ces zones dans le cadre d accord de coopération existant entre les gouvernements gabonais, camerounais et français. Notre principal objectif, sur ce site, sera de fournir aux cartographes des documents compatibles avec le système géodésique WGS84, en ayant en particulier le souci d exploiter la capacité des images à détecter et localiser les bateaux et les platesformes liées aux trafic maritime et aux activités pétrolières.

37 Chapitre I Sites d études et bases de données 26 I.3. Terre Adélie. I.3.1. Contexte. Le site d étude couvre la région de la base antarctique française Dumont d Urville sur l îlot des Pétrels à l ouest du glacier de l Astrolabe, ainsi que l ancienne station scientifique de Port Martin plus à l est. Pendant une grande période de l année, la mer étant prise par les glaces, le trafic maritime est difficile dans cette zone. Durant la saison de l été austral, l eau redevient libre. Hormis des fragments d icebergs, on rencontre la banquise plus au large et des growlers détachés des glaciers côtiers de l Astrolabe et de la Zélée. La navigation est très limitée même en été austral et seuls les brises glaces peuvent naviguer au large. Situation géographique : Antarctique entre les latitudes S65 et S67 et longitudes E139 et E141. Présence humaine uniquement autour de la base Dumont d Urville. Climat : Polaire. Mer, marée. Mer : Eté austral : mer libre de glace, présence de glaçons et growlers, pack dérivant au large. Hiver : mer prise dans les glaces. Marée : Type : mixte. Marnage : de 20 centimètres à 2 mètres. Paysages côtiers. Glaciers : Deux glaciers s avancent dans la mer : Glacier de l Astrolabe et de la Zélée. Continent glaciaire : Falaises de glace dont la hauteur peut atteindre une trentaine de mètres. Pointes rocheuses et îlots : Deux archipels : de la Pointe Géologie et Max Douguet, nombreux îlots et rochers (cf. figure I.10).

38 Chapitre I Sites d études et bases de données 27 Figure I-11 : Présentation schématique du site de Terre-Adélie.

39 Chapitre I Sites d études et bases de données 28 I.3.2. Base de données images et cartes. 1. Images satellites. Les images utilisées pour l étude ont été acquises durant l été austral entre le 15 janvier et le 15 février, lorsque la mer est libre de glaces. Ce choix permet de délimiter au mieux le continent glaciaire, les glaciers et les rochers isolés. Scènes radar. Nous disposons de 4 scènes ERS exploitables : deux images sur la même orbite (Orbite N 4192) suffisaient à couvrir la zone, mais les paramètres d acquisition du premier jeu de données RSO fournis par l ESA étant erronés, une deuxième couverture (orbite N 14942) a du être commandée. Scène optique. Une seule scène SPOT conforme aux impératifs liés à la fenêtre d acquisition était disponible sur la zone, elle couvre l ouest du site d étude et chevauche partiellement l emprise des images ERS. N Site Satellite Numéro Frame Mode Date Date d orbite 1 Ilot des Pétrels ERS D Port Martin h Pointe Ebba SPOT XS Tableau I-13 : Base de données ERS (M= mode : D = descendant, A = ascendant) et SPOT. Figure I-12 : Emprise des scènes satellitaires sur la Terre Adélie (A : scène SPOT, B : scène ERS 1996, C : scène ERS 1998).

40 Chapitre I Sites d études et bases de données 29 Figure I-13 : Vue générale de la scène ERS-2 du 27 février 1998 (N 2, figure I.12). Figure I-14 : Vue générale de la scène SPOT XS du 7 février 1987 (N 5, figure I.12). 2. Cartographie existante. Deux cartes marines au 1/ existent sur la zone d étude. Elles couvrent respectivement les abords de Port Martin (établie en 1955) et de la base Dumont d Urville (1989). Nous disposions également des rapports de missions établis par les hydrographes du SHOM entre 1996 et Durant ces missions, ont été effectués divers sondages bathymétriques, mesures trajectographiques et statiques GPS ainsi que des prises de vue aériennes.

41 Chapitre I Sites d études et bases de données 30 I.3.3. Objectifs d étude en Terre Adélie. Nous souhaitons démontrer l intérêt et la faisabilité de l utilisation conjointe des images spatiales radar et optiques disponibles en milieu polaire. Nous distinguerons deux objectifs : le premier porte sur la possibilité de fusionner les deux types d images aux hautes latitudes, et le second, sur l intérêt des images, d un point de vue thématique, pour actualiser les limites du continent et les glaciers, les zones de dérives de growlers et positionner des îlots rocheux. Figure I-15 : Port Martin, extrait de la carte SHOM N 6100.

42 Chapitre I Sites d études et bases de données 31 I.4. Mauritanie. I.4.1. Contexte. Le site étudié correspond à un segment du littoral mauritanien voisin de l agglomération de Nouakchott. Situation géographique : Afrique entre les latitudes N16 et N24 et longitudes W16 et W28. Pays limitrophes : Maroc, Algérie, Mali, Sénégal. Superficie : km². Façade atlantique : environ 700 km de côtes. Démographie : d habitants. Villes principales : Nouakchott : hab, Nouadhibou : hab. Vie économique : Agriculture, extraction du fer. Climat : Semi-aride. Pour l'approvisionnement de la ville par voie de mer, un wharf (1966) et une digue portuaire de débarquement (1986) ont été construits perpendiculairement au trait de côte. Cet aménagement perturbe le transit sédimentaire côtier orienté nord-sud et engendre un engraissement du trait de côte au nord du port tandis que le sud est en érosion avec risque de rupture du cordon dunaire. En une dizaine d années, la plage au nord de la digue principale s est élargie d environ 1 kilomètre [COU+ 97]. Lors des grandes tempêtes, le cordon littoral, au sud du port, peut être franchi par la mer et celle-ci peut alors venir inonder les zones dépressionnaires et les faubourgs de Nouakchott [TUL 98]. Mer : marée, houle. Marée : Type : semi-diurne Marnage : de 1 à 2 mètres. Houle : Direction, sens : Sud-Ouest. Bathymétrie côtière : Pentes douces vers le talus continental situé à ~50 km des côtes. Paysages côtiers. Plages : L estran du littoral étudié correspond à une seule et même plage de sable fin. Cordon dunaire : Il sépare la plage de la plaine côtière et peut culminer à une dizaine de mètres. Plaine côtière : Bande large de 5 à 10 km, Sebkha de Ndrhamcha au Nord de Nouakchott et Aftout es Saheli au Sud. Certaines ont une altitude inférieure au niveau de référence. Nappe phréatique pouvant être affleurante. Sols composés d argiles et de dépôts coquilliers. Désert : Dunes sableuses.

43 Chapitre I Sites d études et bases de données 32 Figure I-16 : Présentation schématique du site de Mauritanie (1 : dunes sableuses, 2 : plaine côtière). Figure I-17 : Emprise des scènes satellitaires RSO en Mauritanie (A : scènes ERS acquises en mode descendant, B : scènes ERS montant, C : scènes SPOT).

44 Chapitre I Sites d études et bases de données 33 I.4.2. Base de données images et cartes. 1. Images satellites. Images radar. Les caractéristiques des images satellites ERS utilisées sont les suivantes : N Site Satellite Numéro d orbite Frame M Date Heure Hauteur d eau (port de référence Nouadhibou D I D I Région (1 heure d avance sur la marée à Nouakchott) ( // ) ( ) 1 Sud Nouakchott. ERS * (PM 1.8 BM 0.2) marée montante ERS * (PM 1.8 BM 0.3) marée montante 3 ERS (PM 1.6 BM 0.4) marée montante * A h (PM 1.8 BM 0.2) marée montante ERS * (PM 1.8 BM 0.3) marée montante (PM 1.7 BM 0.3) marée montante 7 Nouakchott. ERS * (PM 1.5 BM 0.5) marée descendante * 3249 D h (PM 1.5 BM 0.6) marée descendante 9 ERS * (PM 1.9 BM 0.3) marée montante * (PM 1.8 BM 0.3) marée montante. 11 Nord ERS * 0369 A h (PM 1.8 BM 0.2) marée montante Nouakchott. ERS * (PM 1.8 BM 0.3) marée montante Volume de la base de données 5.4 giga-octets Tableau I-14 : Base de données ERS. (* Scène SLC (Single Look Complex), M= mode : D = descendant, A = ascendant, D I = distance inter-orbitale). Images optiques. Nous possédons trois images SPOT récentes sur la ville de Nouakchott et sa région. Site Satellite Niveau de rectification Mode Date Hauteur d eau (port de référence Nouadhibou) Nouakchott. SPOT 1B Pan h (PM 1.7 BM 0.3) marée montante SPOT 1B XS h (PM 1.5 BM 0.6) marée descendante Nord Nouakchott. SPOT 1B XS h (PM 1.5 BM 0.6) marée descendante Tableau I-15 : Images optiques.

45 Chapitre I Sites d études et bases de données 34 Figure I-18 : Vue générale de la scène ERS-2 du 03 février 1996, Nouakchott (région 4, figure I.17). Figure I-19 : Vue générale de scène SPOT P du O4 février 1995.

46 Chapitre I Sites d études et bases de données Cartographie existante. Les cartes dont nous disposons sur le site sont pour la plupart anciennes. Elles ont été établies peu de temps après l indépendance de la Mauritanie (1960), au temps où Nouakchott devenait capitale du pays après son passé de simple avant-poste colonial. Les systèmes géodésiques utilisés pour ces cartes sont locaux, les paramètres de transformation vers un autre système mondial (WGS84) inconnus. Type de cartes Producteur Echelle Année(s) Système géodésique Couverture Marine SHOM N 7568 (voir Note) 1/ et 1/ WGS84 Région de Nouakchott. Topographiques IGN 1/ Système local Littoral 1/ Tableau I-16 : Base de données cartographiques en Mauritanie. Note sur la carte marine. La carte marine du SHOM récente sur le port de Nouakchott a été actualisée pour la topographie à partir d une scène SPOT (mode P de 1995 [BTI-1]). La rectification de l image a été effectuée à partir de points d appui extraits de l ancienne carte. Aucun paramètre de transformation n étant connu entre le système géodésique local utilisé et un système mondial, les coordonnées des points ont été considérées comme appartenant au système géodésique WGS84. I.4.3. Objectifs d étude en Mauritanie. Sur ce site, partant du constat suivant, la carte marine disponible sur la zone est récente (1998) mais a été établie dans un système local non rattaché à un système géodésique mondial. (la mise à jour a été effectuée à partir d image SPOT, ces dernières étant a priori les données satellitaires de télédétection les plus appropriées dans ce contexte aride). le trait de côte évolue rapidement autour du port de Nouakchott en raison des phénomènes d érosion et de sédimentation évoqués en I.4.1. nos travaux seront guidés par l objectif principal suivant: analyser l apport spécifique des données ERS pour la description du milieu aride, en complément ou en synergie avec les images optiques, en prenant en compte l impact des aspects évolutifs induits par la digue du port de l Amitié sur la navigation aux approches du site.

47 Chapitre I Sites d études et bases de données 36 I.5. Conclusion. Le tableau ci-dessous synthétise les contextes cartographiques et objectifs d étude sur chacun des différents sites. Contexte cartographique Objectifs d étude sur le site Côtes de Guyane Milieu tropical-humide : fort couvert nuageux très peu d images satellitaires optiques de qualité. Environnement : Les sédiments rejetés par le fleuve Amazone créent de fortes évolutions côtières : déplacements de bancs de vase, érosion et accrétion importants : Problèmes de la gestion de la zone littorale (navigation, limites de pêche, frontières). Cartographie : Cartes marines anciennes, rythme d actualisation : d environ 10 ans. Montrer l intérêt des Images RSO pour le suivi des évolutions côtières. Intégrer les interprétations dans la chaîne de production des cartes marines. Proposer de nouveaux documents cartographiques simplifiés plus faciles à réactualiser. Golfe de Guinée (côtes du Cameroun et Côtes de la Terre Adélie du Gabon) Milieu tropical-humide. fort couvert nuageux, très peu d images satellitaires optiques de qualité. Environnement : Exploitation des gisements d hydrocarbures au large et présence des grands ports de Douala et Libreville : Navigation importante. Cartographie : Les cartes marines disponibles sont anciennes (début du siècle) et établies dans des systèmes locaux non rattachés aux systèmes mondiaux. Coopération entre le Cameroun, Gabon et la France : Le SHOM est chargé de l actualisation des cartes. Décrire le milieu (activités marines, petits fonds, estran, végétations côtières, zones portuaires ) à l aide principalement des images RSO et de quelques données optiques en appui. Milieu polaire : acquisition de données limitées à la fin de l été austral. Nombreuses ERS, 1 seule scène SPOT. forte nébulosité. Environnement : Navigation des brise-glaces possible uniquement en été austral. Evolutions rapides du continent glaciaire et dérive des blocs de glaces : navigation dangereuse. Site d accès difficile. Cartographie : Cartographie ancienne dans des systèmes géodésiques locaux mal connus. Montrer la faisabilité de l utilisation conjointe images RSO et optiques pour la délimitation du continent glaciaire, des îlots et des zones de regroupement des blocs de glaces. Littoral autour de la ville Nouakchott en Mauritanie Milieu inter-tropical-aride : pas de nébulosité. Images SPOT d utilisation couraante pour le suivi des évolutions côtières. Environnement : Evolutions côtières de part et d autre de la digue du port de Nouakchott. Cartographie : Cartes anciennes ou établies dans des systèmes locaux (cas de la carte SHOM). Décrire le milieu et montrer l apport spécifique des images RSO (par rapport à SPOT). Suivre les évolutions côtières et évaluer leur impact en cartographie. De manière générale : Fournir des documents qui décrivent l environnement littoral dans un système géodésique connu pour une navigation compatibles avec un GPS. Tableau I-17 : Approche synthétique des contextes cartographiques et des objectifs d étude pour chacun des différents sites.

48 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 37 CHAPITRE II METHODOLOGIE D'EMPLOI DES IMAGES RADAR EN CARTOGRAPHIE MARINE.

49 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 38 II.1. Introduction. Ce chapitre comporte deux parties distinctes : Dans la première partie consacrée aux traitements radiométriques, nous présenterons les logiciels existants qui permettent : 1) d obtenir des images de cohérence à partir de couples interférométriques, 2) de rendre par filtrage les images d amplitude plus lisibles, 3) d extraire automatiquement des informations spatiales (délimitation et classification) à partir des images d amplitude et de cohérence, Bien que n appelant pas à des développements nouveaux, il nous est apparu nécessaire de présenter brièvement les différents outils disponibles qui permettront une exploitation optimale de la base de données en facilitant l interprétation des images à terre et en mer dans le cadre de nos applications. Aucun développement n était initialement prévu sur le sujet particulier de l extraction automatique d informations bathymétriques quantitatives par petits fonds. Suite à des contacts préalables avec l ESRIN (ESA), nous avions simplement prévu de venir tester à Frascati le logiciel de la société ARGOSS (évoqué en introduction) lorsque celui ci y serait devenu disponible. Malheureusement il semble que la livraison n ait jamais eu lieu. Par contre, l exploitation des images radar sur plusieurs estuaires nous a permis d envisager une approche semi quantitative sur laquelle nous reviendrons au chapitre III. Dans la seconde partie ( II.3), nous détaillerons les développements que nous avons été amenés à effectuer pour géoréférencer les images et évaluer la qualité des produits obtenus. D une manière générale, le choix des traitements effectués sur les images sur le plan radiométrique et géométrique nous a été dicté par la nature de la base de données disponible (tableau II.1). En effet, nous possédons, dans la plupart des cas, plusieurs images pour un même site d étude. L exploitation simultanée de ces images demande, d une part, de convenir d une géométrie commune et, d autre part, d exploiter de manière adaptée les séquences multitemporelles. Le tableau II.1 présente de manière synthétique les traitements mis en œuvre en fonction des images disponibles. Base de données. Mise en géométrie Calcul des images Filtrage du speckle Site commune de cohérence concerné PRI même mode Géométrie image Non traitement multidate Guyane SLC même mode. Géométrie image Oui traitement multidate. Cameroun. PRI + SLC même Géométrie image PRI Oui si couple SLC traitement multidate. Mauritanie. mode. PRI + SLC Image géocodée ou une Oui si couple SLC Non Mauritanie, Modes différents des deux géométries PRI. dans le même mode. Cameroun Tableau II-1 : Traitements possibles en fonction des caractéristiques de la base de données image.

50 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 39 II.2. Traitements radiométriques des images. II.2.1. Obtention d images de cohérence à partir de scènes complexes. Le traitement des scènes complexes radar ERS (cf. Annexe A) a été effectué avec le logiciel Diapason (CNES). A partir d un couple de scènes ERS SLC, ce logiciel nous permet de produire deux images d amplitude, une image de cohérence et un interférogramme. Pour cette étude, plusieurs images de cohérence ont pu être évaluées pour la cartographie côtière. Pour une image donnée, le facteur de cohérence nous renseigne sur la variabilité spatiale de la stabilité des états de surface entre les deux dates d acquisition (cf. Annexe A). Nous présentons, en illustration, deux images de cohérence caractérisant globalement les sites côtiers de la base de données. Un site côtier en milieu tropical humide (Cameroun). Un site en milieu semi-aride (Mauritanie). Les couples utilisés sont des scènes acquises à une journée d intervalle par les satellites ERS-1 et ERS-2 (phase tandem). Cameroun (figures II.1, II.2 et II.3). L exemple suivant concerne le sud de la ville de Douala, dans une région côtière où le couvert végétal est important (mangroves, cultures et forêts). Mauritanie (figures II.4 et II.5). L exemple proposé concerne le littoral au voisinage de Nouakchott. Le milieu est aride, la végétation rare et peu développée. Ces informations seront complétées au chapitre III lorsque nous reviendrons sur l apport thématique des images de cohérence.

51 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 40 Figure II-1 : Extrait de la scène ERS-1, du 01 février 1999, orbite (Sud-ouest de l estuaire du Wouri et estuaire de la Sanaga). Figure II-2 : Extrait de l amplitude de la scène ERS-2, du 02 février 1999, orbite Figure II-3 : Image de cohérence obtenue à partir des deux scènes ERS au format SLC, distance inter-orbitale : 105 mètres.

52 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 41 Mauritanie. Figure II-4 : Ville et port de Nouakchott. Image d amplitude issue de la scène ERS1 SLC du 07 avril 1996 (orbite 24739). Figure II-5 : Ville et port de Nouakchott. Image de cohérence issue du traitement du couple de scènes SLC du 07 et 08 avril 1996, distance inter-orbitale : 53 mètres. II.2.2. Filtrage du chatoiement. Dès que l on possède plusieurs images sur la même zone acquises dans les mêmes conditions, la réduction du chatoiement (cf. Annexe A) peut être opérée par filtrage multidate. Le filtre que nous avons utilisé a été implémenté au laboratoire par [STR 99]. L'intérêt principal de ce filtre réside dans sa capacité à réduire le chatoiement sur les zones macroscopiquement invariables tout en prenant en compte les changements intervenus localement aux différentes dates d acquisition. D autres filtres existent et utilisent les radiométries d une séquence d images [BRU 96]. Différents tests ont montré que les résultats obtenus en utilisant ces filtres étaient sensiblement équivalents [TRO+ 01]. Cette étape de filtrage est très importante pour localiser des détails lors du contrôle du géoréférencement des images car la réduction du chatoiement à terre conduit à une amélioration très nette de la lisibilité de l'image. En mer, par contre, la méthode utilisée dégrade la perception de la houle et des courants présents sur l'image de référence. Pour éviter cette perte d informations, les fusions multitemporelles seront alors de simples compositions colorées. La figure II.6 montre un extrait d image ERS non filtré sur le site du Centre Spatial Guyanais. L amélioration visuelle apportée par le filtrage multidate est nette, on observe (figure II.7) : Une homogénéisation des textures : les différentes formations végétales sont alors discernables. Une visualisation très nette des réseaux routiers.

53 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 42 Figure II-6 : Extrait non filtré de la scène ERS1 du 19/07/1995 sur le Centre Spatial Guyanais (CSG). Figure II-7 : Centre Spatial guyanais. Résultat du filtrage multidate à partir de 5 scènes ERS au format PRI, la référence utilisée pour le traitement est l image du 19 juillet La réduction du chatoiement améliore la lisibilité de l image : Les installations et les voies de communication du CSG apparaissent plus nettement qu en figure II.6. Les différentes zones de végétation sont facilement discernables.

54 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 43 II.2.3. Extraction automatique d informations spatiales. Deux algorithmes d extraction automatiques d informations destinés à faciliter le travail du photo-interprète ont été testés. Extracteur de contours. L'opérateur de détection utilisé ici est dérivé du filtre de Canny-Derriche [DER 87] appliqué aux images RSO par [PAI 97]. Le principe de cet outil est donné en annexe A. La figure II.8 présente un exemple de fusion de résultats obtenu sur chacune des deux images d amplitude et sur le produit de cohérence du couple interférométrique camerounais utilisé en II.2.1. Les contours détectés sur chacune des deux images d amplitude présentent une bonne correspondance. Sur l image de cohérence, le détecteur de contours a isolé les zones anthropiques et marquent des séparations entre les couverts végétaux de hauteurs différentes. Classification supervisée. Cet outil implémenté par [ONA 98] et présenté en annexe A fonctionne en trois étapes : Choix des classes par l opérateur. Pré-classification sur ces classes. Homogénéisation des résultats par la méthode de recuit simulé (cf. annexe A). Nous obtenons les résultats suivants sur les sites du Cameroun et de Mauritanie. Cameroun. La classification d une image ERS-2 d amplitude en trois classes (mer, mangrove côtière et forêt) conduit aux observations suivantes (figure II.9) : La discrimination terre-mer est globalement assurée, cependant l algorithme interprète comme îlots de végétation des points situés en mer libre. Le réseau hydrographique principal a été détecté correctement de même que la végétation de mangrove qui le borde. La forêt située majoritairement le long la façade océanique est classifiée correctement, mais les zones de collines, à l est de la figure sont sources d artéfacts : les distorsions radiométriques et géométriques engendrées par les effets de pente conduisent à classer la face orientée vers le capteur en mangrove (radiométries plus claires) et la face opposée en forêt (radiométries plus sombres). Mauritanie. Les figures II.10 et II.11 présentent une comparaison de résultats des classifications obtenues sur les images d amplitude et de cohérence ayant par ailleurs donné lieu à l extraction du trait de côte par photo-interprétation. Sur l'image d'amplitude, la limite terre-mer obtenue après traitement présente certains artéfacts (écarts du trait de côte avec l'interprétation visuelle, certaines zones sont classifiées «mer» sur la ville de Nouakchott). Sur l'image de cohérence, la limite terre-mer est bien conforme à l'interprétation visuelle, par contre nous n'obtenons pas d'informations sur les structures urbaines.

55 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 44 Figure II-8 : Fusion des contours détectés sur les deux images d amplitude (rouge et vert) et sur l image de cohérence associée (bleu). Le jaune qui apparaît correspond à la superposition des contours détecté sur les deux images d amplitude. Figure II-9 : Classification supervisée sur une image d amplitude (3 classes : mer, mangroves (vert clair) et forêts continentales (vert foncé)).

56 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 45 Figure II-10 : Classification obtenue sur l image d amplitude issue de la scène ERS-1 07 avril Figure II-11 : Classification obtenue sur l image de cohérence du couple ERS-1, ERS-2 du 07 et 08 avril 1996 II.2.4. Synthèse. Les traitements d images qui ont été opérés nous ont amené à générer des images de cohérence à partir de données complexes et à manipuler différents outils : Les images de cohérence produites à partir de couples de scènes ERS complexes informent sur la stabilité du sol à l échelle de la longueur d onde entre deux dates d acquisition. Elles apportent une information originale par rapport aux images d amplitude et viennent compléter naturellement la base de données images initiale. Le filtrage du chatoiement par fusion multidate nous paraît performant pour faciliter la lecture de l image sur les végétations et les structures anthropisées lorsque l on possède au moins deux images acquises dans des conditions similaires (même incidence, même mode) de la même zone. L utilisation des outils d extraction automatique sur les images d amplitude et de cohérence au Cameroun et en Mauritanie conduit à des résultats intéressants dont la pertinence dépend toutefois des échelles d utilisation. Pour de petites échelles (< 1/ ) et lorsque la qualité des scènes est suffisante (c est le cas par exemple d une mer peu agitée : bon contraste terre-mer), ces outils pourront être utilisés sur des zones plates. Sur des régions présentant des reliefs même modérés (figure II.9), les contrastes radiométriques qui en résultent selon l orientation des pentes par rapport à la direction de visée viennent perturber les résultats. Par contre, pour les grandes et moyennes échelles (entre le 1/ et le 1/50 000), les écarts observés entre le résultat du traitement et trait de côte relevé par photointerprétation sont importants et l intégration des résultats des traitements d extraction par le photo-interprète demanderait un surcroît de travail qui réduirait totalement l intérêt d utiliser ce type d outil.

57 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 46 II.3. Géoréférencement des images RSO. II.3.1. Introduction. Utiliser les images radar RSO pour réactualiser des fonds cartographiques demande que ces dernières soient correctement géoréférencées, c est à dire que l on connaisse les coordonnées géographiques de chaque pixel de l image (Latitude, Longitude, Hauteur dans un référentiel connu). La méthode que nous développerons dans ce paragraphe demande en entrée des données orbitographiques précises, elle ne s applique que sur des zones relativement plates (niveau de la mer),mais ne nécessite pas de points d appui. Le développement de cet outil de géoréférencement nous a paru nécessaire car le contrôle et le réglage des différents paramètres qui contribuent au bon géoréférencement des images est impossible avec les logiciels disponibles sur le marché (Diapason, PCI par exemple). Compte tenu de la taille décamétrique des pixels, nous considérons que la méthode de géoréférencement est correcte si les erreurs introduites aux différentes étapes sont inférieures au mètre. II.3.2. Principes de Géoréférencement. Afin de pouvoir déterminer la position d un pixel d une image radar, nous devons disposer des informations suivantes : La hauteur du géoïde (niveau moyen de la mer) par rapport à un référentiel connu sur le site imagé. L orbitographie du satellite (dans un référentiel connu). Les paramètres de transformation, des différents systèmes de référence utilisés dans les étapes précédentes. Les paramètres d'acquisition et la géométrie interne de l'image. 1. Les systèmes de références. Vocabulaire : Coordonnées cartésiennes ou coordonnées tri-rectangulaires : coordonnées dans un r r r système géodésique, repère géocentrique orthonormé ( O, i, j, k) de coordonnées (X,Y,Z) où O est proche du centre des masses de la terre, r r r i, j dans le plan équatorial et k dans la direction du nord géographique. Coordonnées géographiques : coordonnées dans un système géodésique, latitude (ϕ), longitude (λ) et hauteur (H), auquel on associe un ellipsoïde centré en O. L ellipsoïde est défini par son demi grand axe et demi petit axe (a et b), par son excentricité e ( e² = ( a² b² ) ) ou son aplatissement f ( f = ( a b ) ). a² a Coordonnées planimétriques, coordonnées cartographiques : coordonnées correspondant à une projection plane de l ellipsoïde que l on note E, N (vers le nord cartographique) et hauteur H.

58 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 47 Figure II-12 : Coordonnées géographiques. Systèmes géodésiques utilisés. Les données nécessaires au géoréférencement des images peuvent nous être données dans des systèmes géodésiques différents : Orbitographie : les coordonnées du satellite sont exprimées soit dans le système de l ESA, soit dans le système ITRF selon la provenance des données. Hauteur du géoïde dans le système ITRF. Système géodésique dans lequel nous voulons référencer la scène radar (WGS84). Par ailleurs, des points de contrôle GPS (WGS84) et des points issus de cartes topographiques peuvent être utilisés (exemple : CSG67 et RGFG 95 en Guyane). Le passage des coordonnées géographiques d un système à un autre peut se faire soit directement par les formules de Molodensky [DUQ+ 94], soit par transformation dans le référentiel terrestre associé à chaque système (figure II.13). Cette dernière méthode est préférable car les 7 paramètres de transformation (facteurs de translation (Tx,Ty,Tz), de rotation (Rx,Ry,Rz) et d échelle (f) ) entre les référentiels terrestres sont souvent disponibles dans la bibliographie. Figure II-13 : Méthode de passage de coordonnées géographiques entre deux systèmes. Figure II-14 : Similitude de passage d un système à l autre.

59 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 48 Passage de coordonnées géographiques vers coordonnées cartésiennes : 1 ( 1 e²sin² ) 2 N = a ϕ X = ( N + H)cosϕ cosλ Y = ( N + H)cosϕsinλ Z = ( N(1 e²) + H)sinϕ Passage des coordonnées cartésiennes du système 1 vers le système 2 : X + Y Z + 2= Tx12+ f12x1 Rz12Y1 Ry12Z1 2 = Ty12+ f12y1 + Rz12X1 Rx12Z1 2 = Tz12 + f12z1 Ry12X1 Rx12Y1 Méthode de passage de coordonnées cartésiennes vers coordonnées géographiques: r = X² + Y² λ =arctan( Y ) X Pour la hauteur et la latitude, ϕ =arctan( Z ) r puis par itération : 1 2 w= ( 1 e²sin² ϕ) H = rcos ϕ+ Zsinϕ aw ϕ = arctan Z r 1 ( 1 Ne² ) N + H Tableau II-2 : Formules de passage d un système de coordonnées géographiques vers un autre. Les paramètres de transformation entre les référentiel ESA et ITRF89 sont donnés dans le tableau. Système de Nom de l ellipsoïde Translation (cm) Facteur Rotation (mas) référence. associée. Tx Ty Tz d échelle. Rx Ry Rz ITRF89 GRS ESA GEM RGFG95 GRS CSG67 IH Tableau II-3 : Paramètres de transformations de différents systèmes géodésiques vers le système WGS84 [ZHU 91], (paramètres de translation exprimés en cm, rotation en milliseconde d arc). Les caractéristiques des ellipsoïdes associés aux systèmes sont les suivantes : Nom de l ellipsoïde Demi grand axe en mètres Demi petit axe en mètres GRS80 (WGS84,ITRF et RGFG) GEM International Hayford Tableau II-4 : Caractéristiques des différents ellipsoïdes. Dans la pratique, nous confondrons les coordonnées des systèmes ITRF et WGS84. Les différences planimétriques entre les 2 systèmes sont inférieures au mètre. Les écarts entre les systèmes ESA, RGFG95, CSG67 et WGS84 sont par contre significatifs 6. 6 Par exemple, pour une position de coordonnées géographiques en Guyane de N5 et W53 les écarts planimétriques en projection UTM entre le système WGS84 et le système ESA sont de 7 m en E et 2 m en N et entre les systèmes WGS84 et CSG67 de 90 m en E et 110 m en N.

60 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine Le géoïde. Le géoïde est une surface équipotentielle de référence du champ de gravité terrestre qui correspond environ au niveau moyen des mers. C est sur un ellipsoïde concentrique à l ellipsoïde WGS84 et coïncidant au mieux, localement, avec le géoïde que nous souhaitons géoréférencer nos images. La distance entre le géoïde et l ellipsoïde du système de référence utilisé peut être connue dans certains cas en consultant les rapports décrivant l établissement des systèmes géodésiques locaux, c est le cas en Guyane pour le Réseau Géodésique Français de 1995 (RGFG95) de l IGN [LEB 96]. Dans les zones où les résultats de tels travaux ne sont pas disponibles, il est possible d utiliser un modèle de géoïde mondial. Il en existe plusieurs comme les modèles EGM96, GRIM5. Earth Gravity Model 1996 (EGM96) est ainsi disponible gratuitement sur Internet 7 et donne la hauteur du niveau moyen des mers sur l ellipsoïde WGS84. L erreur maximale de ce modèle est, le long des côtes de 25 cm ce qui correspond à un erreur planimétrique de 0.6 m 8. Figure II-15 : Forme et hauteur du modèle de Géoïde GRIM5. Sur nos cinq sites, les hauteurs du géoïde par rapport à l ellipsoïde WGS84 données par le modèle EGM96 sont les suivantes : Site. Coordonnées du point. Hauteur du géoïde (m). Latitude ( ). Longitude ( ). Guyane Cameroun Gabon Mauritanie Terre Adélie Tableau II-5 : Hauteur du géoïde par rapport à WGS84. Pour une superficie correspondant à celle d une image radar (~ km²), la 7 Adresse : 8 L erreur planimétrique est liée à l erreur en altitude par la relation r= h/ tan i, i est l angle d incidence de l onde radar (cf. Annexe A).

61 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 50 distance entre le géoïde et l ellipsoïde WGS84 varie peu dans nos zones d études. Ainsi, le long du littoral guyanais, où le géoïde se situe sous l ellipsoïde WGS84, la distance entre le géoïde et l ellipsoïde varie de 32.2 mètres à 34.8 mètres d est en ouest du département[leb 96]. L équation de l ellipsoïde de référence utilisée localement peut s écrire : x2+ y2 z2 ( a+ H) 2 + ( b+ H) 2 où a et b correspondent respectivement au demi-grand et demi-petit axe de l ellipsoïde GRS80 et Η est l altitude locale du géoïde par rapport à cet ellipsoïde. = 1 II-1 Figure II-16 : Le géoïde et les différentes surfaces utilisées.

62 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine Orbitographie des satellites. Produits. Les produits orbitographiques ERS sont constitués d une succession de positions du satellite espacées dans le temps de 30 ou 60 secondes (jour, heure, latitude, longitude, hauteur) selon le fournisseur de données. Qualité et précision des produits orbitographiques. Le type et la qualité des produits orbitographiques dépendent de leur centre de traitement d'origine 9 et du délai entre le passage du satellite et la fourniture du produit. La qualité de ces produits va aussi dépendre des mesures 10 et du perfectionnement des modèles de champ de gravité utilisés lors du calcul des orbites. Le tableau II.6 indique la précision des différents produits telle que fournie par les centres de traitement. Type d orbite. Disponibilité Précision en U (m). Précision en V (m). Précision en W (m). prédite Quelques jours Plusieurs centaines Non communiqué 400 avant le passage du satellite de mètres opérationnelle Qques jours après préliminaire Une semaine après ~0.2 ~0.2 ~0.2 précise Un mois après ~0.1 ~0.1 ~0.1 Tableau II-6 : Précision des différents produits orbitographiques, (U, V et W sont respectivement les composantes radiales, le long de la trajectoire et perpendiculaire au plan orbital (source : centres de traitement ESA, D-PAF, DUT)). 9 Les centres de traitement susceptibles de fournir les produits orbitographiques sont les suivants : L'ESRIN a pour rôle de coordonner tous les services touchant aux satellites ERS. Ce centre, basé à Frascati en Italie, est en contact d une part avec les centres de traitement et de l'autre avec les utilisateurs auquels il fournit images, catalogue, publications et renseignements. L'ESOC (Centre d'opération Spatial Européen) est chargé de contrôler l'orbite des satellites ( ERS1 et ERS2 ) et d'engager des manœuvres afin de corriger éventuellement la trajectoire du satellite. L'ESOC fournit également les données concernant les orbites prédites (quelques jours avant), les orbites opérationnelles (délivrées quelques jours après l'acquisition d'une image sur une zone), préliminaires (après 1 semaine), précises (après 1 mois ). Les centres de traitement (D-PAF, I-PAF, F-PAF, UK-PAF), reçoivent des données soit de l'esrin, soit directement des stations de réception. Ils peuvent fournir les mêmes données que l'esoc hormis les prédictions. Ce sont des centres de recherche, par exemple F-PAF n'est autre que IFREMER basé à Brest et UK-PAF est une agence de recherche pour la défense. Certains fournissent des produits géoréférencés GEC (Geometric Ellipsoid Corrected ) ou GTC (Geometric Terrain Corrected ). Le DUT (Delft University of Technology) est indépendant de l'esa et fournit par l'intermédiaire d'un logiciel les orbites précises des satellites ERS1-2. Ces produits orbitographiques sont gratuits, précis et disponibles sur Internet. 10 Mesures de positionnement des satellites ERS. Les satellites ERS-1 et surtout ERS-2 sont équipés d'instruments facilitant leur localisation autour de la terre : PRARE : Le système PRARE ( Precise Range And Range Rate Equipement ) est un système autonome embarqué sur ERS2. Il possède deux fréquences d émission ce qui permet de mesurer les distances et les vitesses relatives du satellite par rapport à des stations terrestres fixes. Altimètre RADAR: Il s'agit d'un RADAR dirigé vers le NADIR et mesurant l'écho d'une pulsation sur la surface terrestre. Il fonctionne principalement au-dessus des océans. Rétro-Réflecteur LASER (LRR): Comme le PRARE, le LRR sert à déterminer la position du satellite par pointage LASER à partir de stations terrestres.

63 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 52 Les coordonnées du satellite ERS-1, par exemple, peuvent être connues, à tout instant pour une orbite donnée, en interpolant la suite de positions fournie dans le fichier orbitographique. La précision de cette opération dépend, d une part, de l intervalle de temps entre chaque position et d autre part de l interpolateur utilisé. Dans le cas d ERS, un interpolateur simple de type Lagrangien ou polynôme de Legendre peut être utilisé, ce qui n est pas le cas pour le satellite canadien Radarsat 11 [SYL+ 97] En pratique, la comparaison entre orbites précises et préliminaires montre des différences de l ordre de 2 à 3 mètres sur les 3 composantes. Entre orbites précises et opérationnelles, nous avons pu observer des écarts de l ordre de plusieurs dizaines de mètres. Dans les étapes suivantes, pour géoréférencer les images ERS de la base de données, nous utiliserons les orbites précises fournies par Delft University of Technology [SCH+ 93], [SCH+ 98]. Celles-ci sont disponibles sur Internet Paramètres d'acquisition et géométrie des images ERS. Le géoréférencement demande de connaître l heure d acquisition de chaque ligne de l image ainsi que la distance entre le satellite et le point imagé à terre. Ces données sont fournies dans un fichier accompagnant chaque image (file.2 ou LEA_01.001) [GRA 95]. Scènes ERS de type SLC (géométrie en distance («Slant Range»)). Le fichier de paramètres internes du satellite nous fournit : L heure d acquisition de la première et de la dernière ligne de la scène. La résolution en azimut (sens de déplacement du satellite, cf. annexe A). Le temps aller-retour de l impulsion radar pour la première et la dernière colonne (portée proximale et portée distale). La fréquence d échantillonnage en distance. Chaque point de l image peut être référencé directement par rapport au satellite Scènes ERS de type PRI (géométrie terrestre («Ground Range»)). Le fichier de paramètres internes du satellite nous fournit : L heure d acquisition de la première et de la dernière ligne de la scène. La résolution en azimut. Le temps aller-retour du pulse radar pour la première et la dernière colonne. Chaque point de la première et de le dernière colonne peut être référencé directement par rapport au satellite. 11 Radarsat. Les données orbitographiques du satellite RADARSAT fournies avec les images se composent de 15 échantillons (position et vitesse), chaque échantillon étant espacées de 8 minutes. Pour déterminer la position du satellite à tout instant il faut posséder un interpolateur précis. Celui basé sur les polynômes d Hermite (n positions + n-1 vitesses) est préférable à un interpolateur classique (polynômes de Lagrange) [SYL+ 97]. 12

64 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine Méthode de référencement géographique. Nous avons discuté dans les paragraphes précédents des différentes questions qui se posent en amont du géoréférencement proprement dit (orbitographie des satellites et imagerie en distance). Cette partie plus technique discutera de l'algorithmie choisie pour le programme de géoréférencement. Nous souhaitons obtenir les coordonnées tri-rectangles (x,y,z) d'un point M imagé à un instant donné. En considérant que l image a été prétraitée par l ESA pour un doppler zéro, il est possible d écrire [DOW 95] : r ( MS( t)). V( t) = 0 où S est la position et V la vitesse du satellite à l instant t et M la position du point à terre. Connaissant la durée t aller-retour de l'onde radar : MS( t) = D= t* C II-3 2 où t est la durée aller-retour de l onde radar et C la célérité de l'onde dans l'atmosphère (voisine de la vitesse de la lumière, cf. note de bas de page N 16). Le point cherché est solution des équations II-2 et II.4 : II-2 x² + y² z² ( x xs)² + ( y ys)² + ( z zs)² + = ( a+ H)² ( b+ H)² D² II-4 L équation II.7 peut ensuite être simplifiée dans un espace à deux dimensions dans le plan normal au vecteur vitesse du satellite : vy vx 0 vx² + vy² vx² + vy² x = v x z y. vx vz. vy vx² + vy² y + + z' '' II-5 vx² vy² vx² vy² z vx vy vz v r étant le vecteur unitaire tangent à la trajectoire du satellite. Cas des scènes PRI. Dans ce cas, nous avons vu que pour une ligne de l image, nous ne connaissons uniquement que les coordonnées du pixel de la première et de la dernière colonne. Afin de pouvoir référencer géographiquement chaque point, nous considèrerons cette ligne comme très proche d une ligne géodésique 13 passant par nos deux points connus. La résolution du problème se fait par une méthode approchée : Nous utilisons pour le calcul de la longueur de la géodésique (M PP M PD ) une méthode par sphère d approximation. Cette sphère est tangente à g r (figure II.17) d azimut Az. La projection centrale de la géodésique M PP M PD dans le plan tangent au point 13 La géodésique est le plus court chemin entre deux points sur une ellipsoïde.

65 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 54 M PP à la sphère d approximation étant un segment de droite, on peut écrire dans le repère local à M 14 PP : ( X PD) local tan Az= II-6 ( YPD) local 1 = sin² Az + cos² Az II-7 15 RPP N PP ρ PP X 2 2 PD+ Y sin² α = PD d où s= αrpp II-8 et II-9 R 2 PP Figure II-17 : Géométrie d acquisition. La résolution des pixels pour chaque ligne est résolution= s où Nbcol est le Nbcol nombre de pixels dans chaque colonne. Pour M i, pixel de la i ème colonne : i si = i* résolution d où α i= s II-10 et II-11 R Les coordonnées de M i dans le repère local de M PP sont donc : X i i PP = i i PP i Az Az i R R R Z Y sinα *sin * sinα *cos * II-12 (cosα 1)* PP PP 14 Le passage des coordonnées tri-rectangles en O (X,Y,Z) en coordonnées dans le système local à M pp (X L, Y L, Z L ) se fait en appliquant deux rotations : une autour de l axe z de π/2+λ pp, l autre autour de l axe y de π/2-ϕ pp.. 15 N= w a est la grande normale à l ellipsoïde ou rayon de courbure dans la direction du parallèle. a(1 e²) ρ = est le rayon de courbure dans la direction du méridien avec w= 1 e²sin² ϕ, (a) demi-grand w3 axe et e, première excentricité de l ellipsoïde.

66 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 55 Erreur induite par le calcul d une longueur de géodésique par sphère d approximation. Cette méthode est utilisée en géodésie pour des longueurs de géodésiques d une cinquantaine de kilomètres, elle donne des résultats millimétriques sur le calcul de la longueur de la géodésique [DUF 01]. Nous l avons étendue à la longueur de la fauchée des images RSO ERS (100 km), nous observons alors des erreurs inférieures à 10 cm. Note : la ligne (M PP M PD ) : est-elle réellement une géodésique? Pour que l intersection entre le plan normal au vecteur vitesse du satellite (plan I = plan intersecteur) et l ellipsoïde entre les points M PP et M PD donne une ligne géodésique, il faudrait que le vecteur n du repère local à M PP soit dans I, or ce n est pas le cas. Calculons l écart dl, séparant le milieu de la géodésique de celui de la courbe réelle (figure II.18) en considérant ε, l angle entre n r et n r ' (contenu dans I). ds ε.r II-13 r= R pp 1 cos s II-14 2Rpp s étant la longueur de la géodésique (~100 km). La relation liant Rpp à l azimut et à la latitude est donnée en II.7. Figure II-18 : Distance ds entre la géodésique et l intersection du plan normal au vecteur vitesse du satellite et de l ellipsoïde. Le calcul numérique effectué sur une image au Gabon (équateur) et en Terre Adélie donne : Site Epsilon ( ) ds (cm) Gabon Terre Adélie Tableau II-7 : Ecarts mesurés entre la géodésique et l intersection du plan normal au vecteur vitesse avec l ellipsoïde. L erreur introduite par l utilisation d une géodésique est donc très faible par rapport à la taille du pixel.

67 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 56 Les coordonnées géographiques de chaque pixel de l image peuvent être directement calculées par cette méthode. Le temps de traitement pour chaque scène (~ positions à calculer) étant très long, nous ne calculons en fait qu une grille de points. Cette dernière phase nous permet d obtenir un modèle direct de déformation (grille de points en coordonnées-images vers coordonnées géographiques). La position de chaque point de l image finale est interpolée dans cette grille de points. L interpolateur utilisé est de type lagrangien. Le pas de la grille retenu est de 1000 lignes, 1000 colonnes. Nous avons vérifié que les erreurs induites ne dépassent pas 50 cm. Le rééchantillonnage final de l image se fait par la méthode du plus proche voisin. Il est en général plus facile de photo-interpréter une image non rééchantillonnée, c est à dire dans sa géométrie d origine. Dans ce cas, les vecteurs issus de l interprétation seront obtenus dans la géométrie de l image initiale. Ces vecteurs pourront ensuite être géoréférencés en utilisant le modèle de déformation de la scène. Figure II-19 : Résumé des traitements géométriques.

68 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine Problèmes rencontrés. Pour mener à bien nos calculs, nous avons du résoudre de manière pragmatique plusieurs problèmes liés à certaines imprécisions touchant les données accompagnant les images fournies par l ESA. Cas des scènes de type PRI. Au delà d une date proche de celle du lancement du satellite ERS-2, la portée distale est à appliquer sur les images ERS-1 et ERS-2 à la dernière colonne imagée et non à la dernière colonne du fichier image 16 et ce contrairement à ce qui est indiqué dans le fichier d entête. Cas des scènes de type SLC. Quelques scènes acquises par la station de Libreville comptent plusieurs colonnes non imagées en début de fauchée (entre 6 et 9 pour les exemples traités). Pour obtenir des résultats précis, nous avons du faire correspondre la portée proximale à la première colonne imagée et la portée distale à une colonne fictive de rang (la dernière colonne + décalage). Sur les deux types (PRI et SLC). Nous avons observé un écart systématique de +30 mètres entre la distance satellitepoint image calculée à partir des données annexes et la distance réelle. [SYL 95] avait fait la même constatation, aucune explication satisfaisante n avait pu être avancée 17. Nous avons corrigé de manière empirique toutes nos distances de cette valeur. 16 Toutes les fichiers images de type PRI comptent 8006 colonnes mais le nombre de colonnes imagées (radiométrie>0) varie (~7900). 17 Les écarts rencontrés dans le domaine GPS, de longueur d onde 20 cm varient de 2 mètres pour un satellite situé au zénith du point d observation à 30 mètres pour une élévation de 5 [BOT+ 96]. L angle d élévation d un point observé par un satellite RADAR est environ de 77. Les écarts rencontrés dans le domaine GPS ne permettent donc pas d expliquer les écarts observés avec les scènes ERS.

69 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 58 II.3.3. Stratégie de contrôle du géoréférencement des images. Cette partie traite des écarts planimétriques observés entre les images radar géoréférencées et les données de référence. Plusieurs méthodes et sources de références sont utilisées : points issus de cartes topographiques, relevés GPS de précision, trajectographie aérienne, comparaison entre images radar géoréférencées acquises en mode montant et descendant, comparaison avec des scènes SPOT rectifiées antérieurement. 1. Introduction. L'étape de validation de l'outil de géoréférencement s est tout d abord appuyée sur plusieurs types de mesures effectuées sur le terrain : Nous avons utilisé : des relevés de points GPS géodésiques acquis au cours de missions terrain, des points issus de cartes topographiques, dans le cas de la Guyane des trajectographies aériennes GPS le long des côtes rocheuses. Cette étape de validation a aussi donné lieu à une méthode de contrôle spatial par comparaisons d images géoréférencées acquises en mode montant et descendant. 2. Mesures GPS. Deux types distincts de positionnement par GPS ont été effectué au cours de cette étape de validation du géoréférencement : le positionnement statique et le positionnement dynamique trajectographique. Nous rappelons ci-dessous leurs grandes caractéristiques : Positionnement statique bi-fréquence : Cas 1. Pas de point géodésique connu sur la zone d étude : Positionnement relatif d un point de référence par observation GPS pendant plusieurs journées avec un récepteur GPS bi-fréquence par rapport à un réseau régional (distances entre le point de référence et les stations du réseau pouvant allerjusqu à plusieurs milliers de km). Le calcul a posteriori se fera en utilisant les orbites précises des satellites GPS fournies par l International GPS Service [BOT+ 97]. Cas de la mesure du point de référence des sites du Cameroun et de Mauritanie. Cas 2 : Au moins un point géodésique connu sur la zone d étude : Positionnement relatif d un point par observation GPS pendant une durée de 1 à plusieurs heures avec un récepteur GPS bi-fréquence par rapport à ce(s) point(s) géodésique(s) (référence) (distance entre le point mesuré et le(s) point(s) de référence jusqu à une centaine de km). Cas des mesures des points de contrôles des trois sites. Positionnement dynamique trajectographique : Positionnement d un mobile à partir d un GPS embarqué par rapport à une station GPS de référence fixe. Cette méthode utilise les pseudo distances et la phase du signal GPS pour le positionnement du mobile.

70 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 59 Points GPS statiques. Les sites ont été choisis en fonction de leur facilité de localisation a priori sur les séquences d images radar. Guyane. Les points GPS ont été acquis le long de la côte à une altitude faible (< 10 mètres) aux extrémités des ponts de la route côtière sur la Nationale N 1 entre Cayenne et Iracoubo. Récepteur GPS Sercel NR103, Système différentiel VBS. Cordonnées (syst : RGFG95). N. Nature du point. Dénomination latitude longitude 1 Pont, à l aplomb du rivage. Iracoubo ouest Iracoubo est Croisement route Route Jojo Sinnamary ouest Sinnamary est Pont, à l aplomb du rivage. Kourou ouest Kourou est Cayenne ouest Tableau II-8 : Points GPS précis en Guyane française, acquisitions en novembre Figure II-20 : Situation globale des points GPS, les mesures ont été effectuées sur la plaine côtière, le long de la nationale 1. Sept des huit mesures de points ont été saisies sur les ponts (altitude < 10 m) à l aplomb du rivage (figure II.21).

71 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 60 Figure II-21 : Emplacements des 8 points GPS en Guyane.

72 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 61 Cameroun. Ne pouvant effectuer de mesures dans les lieux «stratégiques» (ponts, zones urbaines ), les points de contrôle GPS ont été acquis sur des croisements de routes et en limite de végétation à l ouest de Douala avec un récepteur Ashtec Z12 appartenant à la SDCA (Société de Dragage des Côtes Africaines). Figure II-22 : Positionnement GPS au Cameroun, technicien de la SDCA. Récepteurs GPS Ashtec Z12 Coordonnées (WGS84) N. Nature du point. Dénomination Latitude Longitude 1 Croisement piste et route. MISS Croisement piste et route MODE Croisement piste et route SONE Croisement piste et route. ROMO Pont, à l aplomb du rivage. PUNG Tableau II-9 : Points GPS précis au Cameroun, acquisitions février Figure II-23 : Emplacement des mesures GPS au Cameroun, les sites positionnés sont situés sur les limites de végétation près de la route principale.

73 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 62 Mauritanie. L acquisition des points de contrôle GPS en Mauritanie a été rendue possible après avoir établi un point de référence dans la ville de Nouakchott. L enregistrement des données de ce point s est effectué durant 5 journées avec un récepteur Z12. Ces données ont ensuite été traitées avec le logiciel Run Survey 18 qui permet d intégrer les enregistrements GPS des stations fixes de l International GPS Service (IGS) les plus proches ainsi que les éphémérides précises des satellites. Figure II-24 : Stratégie d acquisition GPS, A : mesures GPS effectuées durant la mission d'avril 2000, B : stations de l'igs utilisées pour les calculs de positionnement. Sur des lignes de base d une dizaine de kilomètres autour de ce point de référence, nous avons ensuite recherché différents points de contrôle qui étaient bien visibles dans le paysage. Deux de nos cibles GPS étaient des chalutiers d une vingtaine de mètres de long échoués sur la plage (figure II.23). Nous avons mesuré la position du centre de chacun de ces navires. 18 Le logiciel "run_survey" est gratuit et disponible sur Internet:

74 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 63 Figure II-25 : Position globale et photo du site GPS mesuré sur un chalutier échoué. Les calculs n'ont pu aboutir sur deux des onze sites (cf. Annexe C) : le croisement entre la piste et la digue sur le port de Nouakchott, ainsi que le rond point sur la route de Rosso. La présence d'une tour métallique à proximité du premier point et le déplacement continu de camions (figure II.26) autour du deuxième peuvent expliquer les problèmes rencontrés. Figure II-26 : Positionnement GPS, rond point, route de Rosso. Récepteurs GPS Ashtec Z12, post-traitement run survey. Cordonnées (WGS84) N. Nature du point. Dénomination Latitude ( ) Longitude ( ) 2 Bateau échoué Bateau échoué (1) Croisement route et Croisement piste, port industriel piste 4 Carrefour urbain Carrefour Faubourg Nord de Nouakchott Bateau échoué Bateau échoué (2) Carrefour urbain Carrefour Nasser de Gaulle Carrefour urbain Carrefour Boutilimit Carrefour urbain Croisement route Akjout Jetée portuaire. Coude de la jetée Jetée portuaire. Début jetée du port Tableau II-10 : Points GPS précis en Mauritanie, acquisitions avril 2000.

75 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 64 Trajectographie GPS. En Guyane, lors de la mission océanographique ZMAG 98 à bord du navire océanographique d Entrecasteaux, trois vols GPS trajectographiques (hélicoptère) ont permis d enrichir les données géodésiques par survol de sections du trait de côte le long des fleuves du Maroni et de l Oyapock et à l ouest de la ville de Kourou. Après traitement, la précision de la mesure GPS est estimée meilleure que le mètre. Le pilote a estimé à 20 mètres l écart maximal entre sa trajectoire et la limite mervégétation (ou estran-végétation, selon la hauteur d eau) qui constitue la limite repérable sur les images radar. Figure II-27 : Alouette III de l aéronavale en vol, cet hélicoptère embarqué sur le Bâtiment Océanographique d Entrecasteaux nous a permis d effectuer plusieurs survols de la côte et notamment des acquisitions trajectographiques GPS. Numéro Site Fleuve Maroni Kourou Montagne d Argent. Objet suivi Trait de côte Précision +/- 20 mètres. Situation. Tableau II-11 : Localisation des trajectographies GPS sur la Guyane.

76 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine Contrôle du géoréférencement par méthode spatiale. Une troisième méthode consiste à apparier des points d une image acquise en mode ascendant avec ceux d une image acquise en mode descendant et à vérifier la coïncidence de leurs coordonnées après géoréférencement des deux images (figure II.29). Il est nécessaire de choisir des points de contrôle proches du géoïde car les cibles sont rabattues dans des directions différentes en orbite montante (approximativement visée vers l est, rabattement vers l ouest) et en orbite descendante (visée vers l ouest, rabattement vers l est). L appariement d un même détail sur plusieurs images acquises dans des modes différents est en général difficile et nécessite une certaine expérience en interprétation d images (figure II.28). Extrémité d une jetée Ilot Petit bâtiment. Figure II-28 : Exemples de points de contrôle vus en mode descendant (colonne de gauche) et montant (droite), l appariement d un même détail sur les modes est difficile (figure II.29), il est nécessaire de posséder une certaine expérience en interprétation d images.

77 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 66 Figure II-29 : Perception d un point d altitude zéro sur images en mode montant et descendant.

78 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 67 II.3.4. Résultats par site. Nous présentons dans cette partie les écarts mesurés entre références au sol et points correspondants sur les images géoréférencées. Nous reporterons, dans chaque tableau, les coordonnées de chaque point (point référence et point localisé sur l image). Les systématismes globaux en x et y 19 et l erreur moyenne quadratique après correction des systématismes globaux 20 sont mentionnés en fin de tableau. Une tolérance, au-delà de laquelle le point est rejeté, a été appliquée sur chaque écart de point (en italique dans les tableaux) 21. Les coordonnées sont exprimées dans la projection cartographique Universal Transverse Mercator (UTM) sur l ellipsoïde WGS84 (fuseau 22 Nord en Guyane, 32 Nord au Cameroun et 28 Nord en Mauritanie). Points GPS précis. 1. Guyane. N Nature du point Référence Scène radar Ecarts planimétriques X (m) Y (m) X (m) Y (m) δx (m) δy (m) 1 Pont Kourou W Pont Kourou E Pont Cayenne W Iracoubo point W Iracoubo point E Sinnamary Point W Sinnamary Point E Systématismes globaux 9 7 emq planimétrique des points GPS après correction des systématismes globaux. 9 Tableau II-12 : Ecarts mesurés entre points GPS précis et images radar (UTM22/WGS84). e& y seront pour nous les simples moyennes des écarts en x et y. Cette méthode a 19 Les systématismes e& x et l avantage, compte tenu de la précision de l estimation recherchée et de la difficulté de localiser des détails sur les images radar, de mettre plus facilement en évidence les erreurs de lecture qu un estimateur d ordre Pour n points, emq plani = ( ex + ey) ( e& x + e& y) avec e x et e y écart entre référence et point image. n 21 = Tolérance 2,57* ( e X + e y) n

79 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 68 Points cartes. N Nature du point Référence Scène radar Ecarts planimétriques X (m) Y (m) X (m) Y (m) δx (m) δy (m) 1 Ligne élec / la rivière Tuamouthou W Ligne élec / la rivière Tuamouthou E Ile Cupidon Croisement ligne électrique sur D Jetée sud Larivot Jetée port de pêche Jetée port de pêche Ile ouest Dupont Première île Dupont Seconde île Dupont Troisième île Dupont Crois N1 avec Rte de belle Terre Trou Caïman Pont Ouest Systématismes globaux 4 4 Emq planimétrique après correction des systématismes globaux, 2 points rejetés 8 Tableau II-13 : Ecarts mesurés entre points cartes et images radar (UTM22/WGS84). Fusion montant-descendant. N Nom du site. Scène radar mode descendant. Scène radar mode montant. Ecarts planimétriques. X (m) Y (m) X (m) Y (m) δx (m) δy (m) 1 Batiment Mana Pont Mana Ouest Pont Mana Est Pont trou Caïman (1) Pont trou Caïman (2) Pont Sinna-mary ouest Batiment long fleuve Sinnamary. 8 batiment CSG batiment CSG Base tour de lancement Ariane. 11 Réseau hydro Systématismes globaux 7-5 Emq planimétrique après correction des systématismes globaux 10 Tableau II-14 : Ecarts mesurés entre images ERS montantes et descendantes (UTM 32/WGS84).

80 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 69 Trajectographie GPS. La superposition des mesures GPS trajectographiques (linéaires blancs) sur fond de composition colorée ERS géoréférencée est présentée en figure II.30 sur l'estuaire de Oyapock (frontière avec le Brésil). L'estimation de la précision se fait plus difficilement que pour les points de contrôle (comparaison entre deux linéaires) mais la précision de la localisation des images peut être estimée par analyse visuelle meilleure que 20 mètres. Ces résultats sont moins bons que ceux qui sont présentés dans le tableau II.12 pour les points GPS précis mais cette méthode reste très efficace pour des contrôles de géoréférencement dans les sites d'accès difficiles. Figure II-30 : Superposition des mesures trajectographiques GPS (linéaire blanc) et la composition colorée ERS, site de la Montagne d Argent. On observe que le vol GPS est très proche, à l échelle de l illustration, du trait de côte interprété visuellement sur la composition colorée.

81 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 70 Points GPS précis. 2. Cameroun. N Nature du point Référence Scène radar Ecarts planimétriques X (m) Y (m) X (m) Y (m) δx (m) δy (m) 1 Route de Tiko: intersection Route de Tiko: intersection Route de Tiko: intersection Route de Tiko: intersection Pont sur fleuve Mungo E Emq planimétrique entre mesures GPS précises (réf) et scènes radar. (1 point rejeté) 18 après correction des systématismes globaux Systématismes globaux Tableau II-15 : Ecarts mesurés entre points GPS précis et images radar (UTM 32/WGS84). Au Cameroun, les écarts entre les relevés de points GPS et leurs positions correspondantes sur les images géoréférencées sont un peu plus importants qu'en Guyane, nous observons ainsi jusqu'à 50 mètres d écarts entre les relevés GPS et leur position correspondante sur les images ERS. Scène SPOT. En 1998, le Bureau Traitement d Images (SHOM) avait traité géométriquement une scène SPOT XS [BTI-2]. Nous avons mesuré les écarts entre le géoréférencement de cette scène et nos images ERS. N Nature du point Scène radar Scène SPOT Ecarts planimétriques X (m) Y (m) X (m) Y (m) δx (m) δy (m) 1 Pont Wouri Est Pont Wouri Ouest Carrefour Douala Pont aéroport Bâtiment isolé port Bâtiment isolé magrove Jetée Tiko Pointe mangrove Systématismes globaux 1-35 emq planimétrique entre radar (réf) et SPOT (1 point rejeté) après correction 13 des systématismes globaux Tableau II-16 : Ecarts mesurés entre images radar et scènes SPOT (UTM 32/WGS84). Le tableau II.16 fournit les écarts planimétriques entre les deux géoréférencements (SPOT et ERS). Les points 1 à 5 correspondent à des contrôles effectués sur la ville de Douala tandis que les numéros 6,7 et 8 sont des points remarquables en bordure de scène SPOT, dans les mangroves côtières. Sur la ville de Douala la concordance des coordonnées est bonne (10 mètres d'écarts en X et 30 en Y) comparée aux résolutions des systèmes (respectivement 25 et 20 mètres pour ERS et SPOT). Il existe néanmoins un écart systématique selon l axe des Y de 35 mètres. En dehors de la ville, les points localisables sur les deux images sont rares, la qualité de localisation est nettement moindre qu'en ville et les écarts peuvent devenir très importants.

82 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 71 Fusion montant-descendant. N Nature du point Scène radar mode montant Scène radar mode descendant Ecarts planimétriques X (m) Y (m) X (m) Y (m) δx (m) δy (m) 1 Ilot Manoca ouest Estuaire Sanaga îlot Sanaga Pointe Mangrove(1) Passage Manoca Rocher Manoca est Jetée Tiko Pointe Mangrove(2) Pointe Mangrove(3) Pont Douala Ilot Dibanba Systématismes globaux emq planimétrique entre descendant (réf) et montant, (2 points rejetés) après 11 correction des systématismes globaux Tableau II-17 : Ecarts mesurés entre images ERS montantes et descendantes (UTM 32/WGS84). Les écarts observés dans le tableau II.17 résultent des imprécisions de géoréférencement des deux images ; cependant les résultats sont meilleurs que ceux du tableau II.16 (comparaison points GPS et image ERS). Sur les 11 points, 6 ont des écarts inférieurs à 15 mètres en x et y. Il y a peu d'erreurs en y et en x les écarts sont négatifs : le point apparié est situé plus à l'ouest sur l'image montante que sur la scène descendante, il pourrait s'agir de points possédants une altitude non nulle (îlot avec des arbres par exemple).

83 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine Mauritanie. N Nature du point Référence Scène radar Ecarts planimétriques X (m) Y (m) X (m) Y (m) δx (m) δy (m) 1 point_gps_ashz12 début jetée port po11 2 carrefour Boutilimit Rosso carrefour Nasser de Gaulle carrefour faubourg nord intersection jetée et piste début jetée port intersection route du port industriel 8 Coude jetée du port Systématismes globaux Erreur moyenne quadratique planimétrique GPS (réf) et image, 3 points rejetés 16 après correction des systématismes globaux. Tableau II-18 : Ecarts mesurés entre points GPS et images radar (UTM 28/WGS84). En Mauritanie, les écarts observés par contre sont plus importants que sur les deux autres sites. Au vu du tableau, nous n'observons pas d'écarts systématiques entre les points GPS et les images. La difficulté d'attribuer une mesure GPS à un pixel en terrain plat peu contrasté peut expliquer des écarts types aussi grands. N Nom du point Scène radar mode descendant Scène radar mode montant Ecarts planimétriques X (m) Y (m) X (m) Y (m) δx (m) δy (m) 1 Village de pêcheurs Bâtiment entrée jetée du port. 3 Bâtiment Rte Nouadibou Bâtiment Rte Nouadibou Bâtiment Nord Nk Croisement Nord Nk (1) Croisement Nord Nk (2) Bâtiment sud Nk Croisement Rosso Croisement Nord Nk(2) Bâtiment Nord Nk Bâtiment est Nk Bâtiment est Nk Systématismes globaux -3-4 emq planimétrique entre descendant (réf) et montant (1 point rejeté) après 7 correction des systématismes globaux. Tableau II-19 : Ecarts mesurés entre images ERS montantes et descendantes (UTM 28/WGS84).

84 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 73 II.3.5. Conclusions. Cette partie a tenté de démontrer que les systèmes imageurs radar en général et ERS en particulier permettent le positionnement précis des images acquises sur les zones côtières présentant peu de reliefs. Pour bénéficier de cette possibilité, il est nécessaire d avoir une connaissance précise des conditions d acquisition des images (orbitographie du satellite et paramètres internes) et de la position de la surface terrestre sur le site imagé (géoïde par rapport à la surface de référence). Dans ces conditions, la précision du référencement obtenu correspond à un écart-type des écarts entre les points de contrôle et les images de l ordre de 25 mètres. Cette précision de localisation obtenue s approche de la taille de la résolution spatiale des systèmes ERS. Nous pensons donc que le géoréférencement d un satellite radar à haute résolution conduirait à une amélioration sensible de la précision de localisation. Remarquons que la localisation de détails ponctuels est souvent très difficile sur les scènes ERS, même filtrées, que nous avons utilisées. Cette difficulté est due en partie à la particularité de notre base de données : Réseau anthropique peu dense sur la plupart des images de Guyane et de Mauritanie. Au Cameroun, interdiction d acquérir des mesures GPS sur les ouvrages stratégiques (ponts, jetées portuaires). Seul le géoréférencement de plusieurs scènes acquises dans le même mode en permettant par fusion colorée une observation globale du site nous assure qu il n y a pas eu d erreurs commises par l opérateur. Par contre, cette méthode ne contrôle ni la hauteur du géoïde, ni un changement de l écart systématique en distance mentionné II.2.6. Plusieurs arguments justifient notre confiance envers cet outil de géoréférencement. Trois sites test ont montré des résultats concordants : Guyane, Mauritanie et Cameroun. De nombreuses images (~60) ont servi à l'étude. Le contrôle a été assuré par des données de référence géographiques issues de mesures sur le terrain. Un contrôle spatial du géoréférencement peut être assuré par comparaison d'images acquises en mode montant et descendant. Cette méthode permet, si la hauteur du géoïde a bien été réglée, de contrôler les systématismes des écarts en distance. Ce géoréférencement sans points d'appui nous permet d'aborder des applications cartographiques opérationnelles avec des facilités non négligeables (mosaïquage, compositions multidates colorées). II.3.6. Applications directes du géoréférencement pour la cartographie. 1. Recalage dans un système mondial. Sur les régions où le système géodésique local est mal connu par rapport à WGS84, le géoréférencement de scènes spatiales sans mesures au sol de points d appui est un atout important. Sans pour autant pouvoir, de façon évidente, déterminer les

85 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 74 paramètres globaux de transformation entre les deux systèmes, il est alors possible de calculer des décalages locaux. La carte SHOM N 7568 de 1998 sur la région de Nouakchott (cf. chapitre I) a, par exemple, été «calée» à partir de points pris sur l ancienne carte N Ce document cartographique est affiché sans contrôle avec des coordonnées supposé appartenir à WGS84 (figure II.29). Les écarts mesurés entre les images ERS et cette carte font apparaître des valeurs significatives 22 d environ 200 mètres en longitude traduisant simplement le fait que le référentiel de la carte 6115 n est pas proche de WGS84. Figure II-31 : Nota sur les écarts de localisation engendrés par le positionnement par satellites avec la carte SHOM N Fusion de séquences d images ERS. Le géoréférencement nous permet de superposer plusieurs scènes radar acquises à des moments différents afin de faciliter et d améliorer le travail de photo-interprétation. La visualisation simultanée de trois images dans les canaux Rouge Vert et Bleu permet notamment de détecter les changements d états de surface advenus sur une ou deux des trois scènes. 22 Trois positions ont été extraites de la carte 7568 sur les infrastructures portuaires à l échelle du 1/ Les écarts sont cohérents sur les trois points.

86 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine Mosaïquage de scènes ERS. Le géoréférencement sans points d appui nous permet de traiter de façon automatique un grand nombre de scènes ERS sur une même zone géographique. Figure II-32 : Extrait de la mosaïque sur le golfe de Guinée. 15 scènes ont servi à construire cette mosaïque. Une seule orbite couvre l est de la spatiocarte.

87 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine Fusion d orbites montante et descendante. Le géoréférencement et son contrôle par des méthodes spatiales est un atout en géométrie des images. Ce type de couplage de scènes radar géoréférencées permet de faire ressortir quantitativement la hauteur de certains objets. La hauteur d un objet vu par le radar imageur peut se calculer par la formule simple suivante, qui relie son altitude h et le rabattement observé dans l image (cf. annexe A) h= rabattemen t* tan i II-15 où i est l'angle d'incidence locale de l'onde radar. L exemple de la figure II.33 montre deux images ERS (orbite descendante du 12/10/98 et orbite montante du 05/11/98) sur le Centre Spatial Guyanais (CSG). La tour de lancement et la tour de servitude de la fusée Ariane 4 (photo) apparaissent comme un seul et même objet sur les deux images (deux tirs Ariane 4 ont été effectués les 28/10 et 05/12/98, il est probable que pour la préparation de ces tirs les deux tours étaient, au moment des deux acquisitions, très proches l une de l autre). Mode. Rabattement (m) Incidence locale (degrés) Hauteur. Descendant Ascendant Tableau II-20 : Mesures des rabattements et hauteur déduite de la tour vue sur imagerie ascendante et descendante, les hauteurs sont proches de la hauteur réelle de la tour de servitude (90 m). Figure II-33 : Tour de lancement Ariane 4, vue successivement lors d acquisition en mode descendant (rouge) et en mode montant (bleue). Cette application est intéressante pour les cartographes, car connaître la hauteur de la végétation côtière et d'objets bien visibles de la mer peut aider à la localisation des marins. Par contre, l appariement des points est souvent difficile et cette méthode ne peut être généralisée.

88 Chapitre II Méthodologie d emploi des images radar en cartographie marine. 77 II.4. Synthèse. Le tableau ci-dessous propose une synthèse des outils mis en place et de leurs applications. Traitements radiométriques CHAPITRE II METHODOLOGIE D EMPLOI DES IMAGES RSO EN CARTOGRAPHIE MARINE : Outils / Méthode mis en œuvre Produits / Applications. Traitement interférométrique : Utilisation de l information de phase des images. A partir de deux scènes RSO complexes. Si possible en phase tandem pour ERS = 1 journée d intervalle entre les deux acquisitions. Produit de cohérence : Renseigne sur la stabilité des états de surface à l échelle de la longueur d onde (ERS, λ=5.6 cm) entre les deux acquisitions Traitements géométriques. Réduction du chatoiement par filtrage multitemporel : «Fusion» des radiométries entre différentes scènes sur la même zone et acquises dans les mêmes conditions. Possible à partir de 2 images. Permet de garder l information originale contenue dans l image de cohérence. Outils automatiques d extraction d information spatiale. Extracteur de contour et classification des images. Outil de géoréférencement des images ERS. Nécessite la connaissance : Orbitographie des satellites (donnés avec les images et téléchargeables sur internet). Hauteur du géoïde / le site (par modèle). Paramètres internes du satellite (horloge fournis avec les images). Note : Ne nécessite pas de points d appui. Contrôle du géoréférencement : Par mesures GPS/ points cartes sur des détails ponctuels. Trajectographie GPS sur des contours visibles / les images. Par comparaison des traitements géométriques / images en mode ascendant et descendant. Image filtrée. Homogénéisation des textures. Meilleure visualisation de détails ponctuels et linéaires. Images de contour / images de classes. Résultats de qualité différentes dépendant : Des sites. De l échelle de restitution finale. Image ERS rectifiée / Modèle de déformation dans un système géodésique connu : Utile dans des zones où la cartographie est établie dans un système local non rattaché à un système connu. Mosaïquage des scènes facilité. Calcul de la hauteur de certains objets par observation et mesure des rabattements sur orbites en mode montant et en mode descendant. Résultats : Ecarts types entre références et images traitées de 25 m : de l ordre de la résolution de ERS. Note : Images futures des satellites radar à haute résolution spatiale : amélioration de ce résultat. Tableau II-21 : Synthèse portant sur les développements et les résultats présentés au chapitre II.

89 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine. 78 CHAPITRE III APPORTS THEMATIQUES DES IMAGES RADAR A SYNTHESE D OUVERTURE POUR LA CARTOGRAPHIE MARINE

90 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine. 79 III.1. Introduction L objectif de ce chapitre est de mettre en évidence les apports thématiques des images RSO pour la cartographie du littoral et plus particulièrement pour la réactualisation des cartes marines. Quatre grands domaines spatiaux du littoral sont envisagés ci-dessous et présentent des champs cartographiques associés : Au large des côtes : les routes de navigation, les obstacles à la navigation. «Près de terre» (proche côtier) : les profondeurs et les obstacles à la navigation. Sur la zone intertidale : la délimitation (trait de côte et zéro hydrographique) et la nature de l estran. A terre : les objets visibles de la mer et pouvant servir à se localiser, la végétation côtière, le réseau hydrographique, les zones humides, les structures portuaires et urbaines, le réseau routier et ferroviaire, les objets émergés en mer. Il faut ajouter à ces domaines spatiaux l évolution temporelle du littoral abordée cidessous grâce à une succession d images dans le temps. Les traitements détaillés au chapitre 2 seront appliqués en vue d interprétations thématiques spécifiques. Cette étape sera réalisée à partir de la base de données ERS disponible complétée d une étude bibliographique. Nous avons choisi de traiter successivement chaque champ par zone d intérêt puis par site (Guyane, Golfe de Guinée (Cameroun & Gabon), Terre Adélie et Mauritanie). Pour une meilleure visibilité de ce chapitre, nous ne détaillerons qu un seul site par zone d intérêt. Les autres sites seront vus plus brièvement. Le plan sera le suivant: Le large (site principal retenu : Golfe de Guinée). Le proche côtier et l estran découvert (Guyane française). A terre, le milieu naturel, les végétations arborées continentales et d estran (Golfe de Guinée). Les évolutions côtières (Guyane française). Les zones anthropisées(golfe de Guinée). Chaque thème sera ainsi illustré à partir d extraits d images commentés appartenant à la base de données radars traitées. Nous nous focaliserons sur les contributions des images ERS puis, selon leurs disponibilités, nous évoquerons en fin de chapitre les avantages d autres capteurs [scènes RSO (haute résolution, multi-bande (C, L et P) ; multi-polarisation (HH, VV, HV, VH)) et optiques (Landsat MSS, SPOT P et XS)]. D une manière générale, les développements de ce chapitre prennent appui sur les observations réalisées à l occasion de nombreuses missions de terrain menées par les équipes de l UMLV et du SHOM.

91 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine. 80 III.2. Recueil de données environnementales au large. III.2.1. Généralités. Les contrastes observés sur les images sont en relation directe avec la rugosité surfacique de l'océan. Le capteur radar capte l'énergie rétrodiffusée par les vagues que les vents interagissant avec les courants de surface génèrent [ING 00]. La sensibilité à la rugosité des états de surface dépend de la longueur d onde et de l angle d incidence 23. Les images ERS de longueur d'onde 5.6 cm sont particulièrement sensibles à la présence de vaguelettes centimétriques. Une image JERS de longueur d onde 25 cm et d angle d incidence 35 sera moins sensible à l état de la mer qu une scène ERS. En dehors de cas simples, les phénomènes observés sur les images RADAR en mer sont souvent difficiles à interpréter. III.2.2. Site principal retenu : Golfe de Guinée. Une des premières observations que l on peut faire sur les images est la présence de nombreux rétro-réflecteurs au large qui correspondent aux objets nés de l exploitation des gisements pétroliers dans la région (pétroliers, plates-formes pétrolières, plates-formes de forages (figure III.1)). La distinction entre ces différents objets est intéressante d un point de vue cartographique (emplacement des plates-formes, des points de mouillages, détermination des routes maritimes). Ces bateaux et plates-formes présentent des mobilités plus ou moins importantes. Nous retiendrons les échelles temporelles de la journée et de l année pour la discussion qui suit : D un jour à l autre, les navires au mouillage ont évité autour de leur ancre de quelques dizaines de mètres (figure III.2) alors que le bateau en route n est évidemment plus à la même place et la plate-forme pétrolière est a priori au même endroit. D une année sur l autre, seules certaines plates formes sont restées stables (les autres ont pu être déplacées sur un autre site). 23 Un sol donné voit sa rugosité diminuer quand la longueur d onde et l angle d incidence du capteur augmentent. Les seuils de rugosité sont donnés proportionnels à λ, (λ, longueur d onde et θ, angle cosθ d incidence). Ce seuil croît quand λ et θ augmentent.

92 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine. 81 Figure III-1 : Large des côtes camerounaises et nigérianes. On perçoit en dehors des effets de surface océaniques dus aux conditions météorologiques, de fortes radiométries localisées. Il s agit de bâtiments (navires, plates-formes pétrolières). Figure III-2 : Scènes ERS-1 du 01/02/99 (Canaux Rouge et Vert) et ERS-2 du 02/02/99 (Canal Bleu). Estuaire du Wouri, Cameroun, Les fortes radiométries observées en jaune et en bleu correspondent respectivement aux positions des bateaux le 01/ 02 et le 02/ 02.

93 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine. 82 III.2.3. Sites secondaires. 1. Guyane. Proche de la Zone Intertropicale de Convergence (ZIC), les côtes guyanaises sont soumises à des vents légers et des orages marins. Au large, les images ne permettent pas d observations particulières pour la cartographie, en dehors des effets météorologiques (figure III.3). Figure III-3 : Région d Iracoubo, scène ERS du 09 juillet 1995, discontinuités des rugosités de surface). 2. Terre Adélie. Aux époques de prise de vue des images ERS (février), la mer apparaît avec des radiométries élevées qui traduisent l existence d un clapot en surface. Figure III-4 : Banquise dérivant au large. Au nord du site d étude, une zone aux radiométries faibles et aux textures homogènes de plusieurs dizaines de kilomètres de long apparaît. Il s agit vraisemblablement du pack dérivant en provenance d un glacier situé plus à l ouest de la Terre Adélie.

94 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine Mauritanie. Les trois scènes que nous possédons présentent des signatures radiométriques de même nature à environ 50 km des côtes. Sur les cartes bathymétriques, l endroit correspond à la rencontre entre le canyon sous-marin de Nouakchott et le plateau continental. La remontée des fonds est brusque de (600 à 100 mètres) sur une dizaine de kilomètres. La variabilité des formes observées traduit très probablement, selon les dates, les directions et intensités des vitesses des courants et des vents. Topographie et bathymétrie au large de la Mauritanie (source SHOM/BATMANE 1.0) Scène ERS-2, du Scène ERS-1, du Scène ERS-1, du Figure III-5 : Même zone au large de la Mauritanie, vue par ERS à trois dates différentes, on perçoit des signatures à la surface de l océan de formes analogues, il s agit de l influence sur la surface océanique d une brusque remontée des fonds (rencontre du Canyon sous-marin de Nouakchott et le plateau continental, passage de 600 à 100 mètres de profondeur.

95 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine. 84 III.3. Proche côtier et estran. III.3.1. Site principal retenu : Guyane. 1. Proche côtier. De la même manière que nous avons vu l influence de la topographie sous-marine sur les images RSO pour des observations à petite échelle, en proche côtier et par petits fonds, en présence de vents et courants, les vaguelettes à la surface de l'eau sont modulées par le relief sous-marin. Les bancs de sable ou bancs de vase présents sous la surface de l'océan apparaissent alors sur les images suivant leur orientation par rapport aux courants. L'observation de ce phénomène est facilitée dans les estuaires 24 (courant du fleuve + courant de marée).(cf. Annexe A). Dans ces zones, on observe sur les images une carte des courants. Ceux-ci agissent sur le spectre de vagues qui influe sur la réponse radar [VOG 89]. Les courants contournent les hauts fonds. Sur leurs pentes, on observe une réponse radiométrique plus élevée. Façade atlantique. La pente naturelle des bancs de vase est très douce (l isobathe des 5 mètres se situe entre 5 et 15 km au large). Sur les scènes ERS, nous ne distinguons aucune signature radiométrique qui pourrait correspondre à un changement de profondeur. Estuaires. A l embouchure de l Oyapock, des veines de courants sont observables sur les images d amplitude (figure III.7) qui caractérisent les positions des différents chenaux (profondeurs 5 m) dans un environnement de bancs de sable et vase (profondeur < 1 m). Lors de la remontée du fleuve à bord de la vedette de la gendarmerie maritime la "Stellis" de Cayenne en juillet 1999, les marins ont noté la pertinence des documents dont nous disposions : La superposition 25 de la carte marine avec les images RADAR nous permet d obtenir un document doublement intéressant. L'imagerie satellitale apporte des informations topographiques (végétation, bâti...) et qualitatifs sur la bathymétrie (lignes de courants) que la carte quantifie quand elle est de bonne qualité L interprétation des images RSO dans ce type de zones dangereuses pour la navigation est très similaire au comportement d un marin dans le même environnement. Le navigateur cherche à la surface de l eau les variations de l amplitude des vagues qui lui indiquent la présence ou non de hauts-fonds. 25 Le trait côte et les lignes bathymétriques des cartes brésiliennes ont été manuellement numérisées (vectorisation) pour être fusionnées aux scènes RADAR. 26 Dans un milieu où les sédiments sont en suspension et où il existe une lentille de vase très fluide s'intercalant entre le fond vaseux et le milieu navigable, la bathymétrie par petits fonds dans les chenaux pose des problèmes particuliers et les valeurs des sondes dépendent de la technique utilisée. Les techniques actuelles et utilisées sur le chenal du Mahury sont les suivantes. Utilisateur Méthode de mesure de la profondeur SHOM Sondeur bi-fréquence (210 et 33 khz) Société de Dragage Sonde à plomb Phares et Balises Sondeur bi-fréquence & Gamma densimètre L'onde de fréquence 210 Khz du sondeur est immédiatement réfléchie par la partie supérieure de la lentille de vase.

96 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine. 85 Les points de "désaccord" entre les deux sources (images et cartes) apparaissent alors facilement : mouvement des bancs de sable et fluctuations des limites des îlots fluviaux, déplacement d'estuaire. Figure III-6 : Limites bathymétriques de la carte marine N 111 superposée à la scène ERS-1 du 15 décembre 1992, Estuaire de l Oyapock, visualisation des veines de courant matérialisant les chenaux. Légende : 1, trait de côte, 2, limite d estran, 3 isobathe des 2 mètres, 4 isobathe de 3 mètres. On admet généralement qu il est possible de naviguer dans une vase très fluide. Le sondage au plomb et le gammadensimètre mesurent la profondeur jusqu à une certaine densité (densité 1.27 en Guyane définie par le Laboratoire Hydraulique de France), mais ne donnent pas systématiquement les mêmes résultats sur les levés.

97 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine Bancs de vase. Les bancs de vase lisses découvrant à marée basse sont identifiables de manière évidente sur les images. Ce sont des zones de très faibles radiométries dans un environnement de radiométries peu élevées (Mer et mangroves littorales). Sur ce type de surfaces lisses, l'onde radar se réfléchit de manière spéculaire et il y a très peu de retour vers l antenne. Dans le contexte géologique régional (cf. chapitre I), nous assistons à un déplacement des bancs vers le Nord Ouest par la remise en suspension des sédiments par la houle. Les séquences de scènes RADAR nous permettent de suivre ces déplacements : par exemple, à Cayenne, nous avons observé le passage d un banc de vase de l Est vers l Ouest du chenal du Mahury (figure III.7). Ce déplacement entraîne le comblement du chenal d entrée du port de Dégrad des Cannes. Un dragage quasi-continu est alors nécessaire (figure III.9). De même autour de Kourou, le passage d un banc provoque l envasement du chenal d accès du port où débarquent des modules des fusées Ariane. Des séquences d images ERS acquises pour différentes hauteurs d eau à des dates rapprochées permettent de calculer la pente de ces bancs émergés [STAT 94]. Figure III-7 : Mouvement des bancs de vase autour de la ville de Cayenne, déplacement des bancs de l Est vers l Ouest du site entre 1992 et 2000.(scène ERS-1 du 03/05/92 :hauteur d eau au passage du satellite : 1.1 m, ERS- 2 du 08/09/99 :0.9 ; ERS-2 du 14/06/00 : 1.3m).

98 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine. 87 Figure III-8 : Banc de vase à marée basse, est du chenal de Cayenne (Photo UMLV/HT). Figure III-9 : Dragage à l américaine (on distingue les sédiments rejetés par la barge), chenal de Cayenne (Photo UMLV/HT). 3. Plages. Sur les scènes ERS, on ne peut réellement différencier les bancs de vase des plages de sable lisse. Sur la figure III.10, l analyse des séquences d images multidates conduit à interpréter les zones de basses radiométries comme des plages de sable lisse : en effet le phénomène observé à l ouest de l embouchure du Kourou montre, à petite échelle, que l érosion a entamé entièrement la végétation de mangrove se développant sur un sol constitué de vase et attaque l ancien cordon littoral constitué de sables. Cette information complémentaire seule permet de dire qu il s agit bien ici d une étendue de sable et non de vase. La distinction entre sables et vases est une donnée essentielle aussi bien d un point de vue sédimentaire qu en terme de traficabilité de l estran 27. Figure III-10 : Plage de Kourou. Figure III-11 : Avertissement aux usagers d une plage recouverte par la mangrove au moment de la prise de vue (Cayenne 1992). 27 Arriver par la mer sur des sédiments vaseux est très difficile, et ceci quelle que soit la marée. Tout d abord parce que la pente naturelle des bancs est très douce, une embarcation légère peut s échouer à plusieurs centaines de mètres de la ligne d eau ; ensuite le déplacement sur un terrain aussi meuble (puis dans la mangrove) est très difficile.

99 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine. 88 III.3.2. Autres sites. 1. Golfe de Guinée. Petits fonds. Sur l estuaire du Wouri, les différentes veines de courant tracent une famille de courbes à proximité du chenal naturel de l estuaire (figure III.12). Ces courants de surface dus à la marée et au fleuve Wouri sont atténués sur les zones de petits fonds (profondeur < à 2 mètres à marée basse). Figure III-12 : Estuaire du Wouri, Cameroun. Scène ERS-1 du 23 août 1994, acquise quand le courant est le plus fort : à mi-marée descendante. Figure III-13 : Scène ERS-2 du 30 octobre 1998 et carte marine du SHOM, estuaire du Gabon. Les courants mettent très bien en valeur les bancs de sables présents à la sortie de l estuaire.

100 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine. 89 La scène ERS-2 du 30 octobre 1998 sur Libreville permet d observer une formation de vagues de longueur d onde de 200 mètres (figure III.14). A 15 et 30 km de distance, on retrouve ce phénomène deux fois vers l ouest. La raison de leur présence ne nous est pas connue, il ne s agit sans doute pas d une onde interne 28 (les fonds sont faibles à cet endroit ~20m) ni d un mascaret 29 (le phénomène se reproduit plusieurs fois sur le même axe. Le phénomène n'a été observé que sur cette scène. Figure III-14 : Onde de surface aperçue en mer au large des côtes gabonaises sur l image acquise le 30 octobre Cette formation de vagues possède une longueur d onde de 200 mètres. Bancs de sable. A marée basse, au Cameroun, comme en Guyane française, les bancs de vase et de sable lisse découvrant dans l estuaire apparaissent sur les images RADAR comme des zones de très faibles radiométries. Elles sont souvent identifiables mais difficilement délimitables car elles se fondent dans un environnement de radiométries assez peu élevées : mer (peu agitée au fond de l estuaire) et mangroves littorales. Fusionner plusieurs images (par exemple deux scènes acquises à marée basse + une marée haute) permet de les localiser avec une meilleure précision (figure III.15). 28 Onde interne : Onde se produisant dans un fluide dont la densité varie avec la profondeur [OHI]. 29 Mascaret : Lame déferlante progressant vers l amont à marée montante dans certains estuaires [OHI].

101 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine. 90 Figure III-15 : Composition colorée ERS, port de Douala, Canal Rouge : scène ERS-1 du 04/12/95 (hauteur d eau :0,5 m), C Vert : scène ERS-2 du 05/12/95 (0,5 m), C Bleu : scène ERS du 02/12/96 (2,0 m). Les bancs apparaissent en jaune. Plages. Les plages de la façade atlantique du Gabon sont observables à marée basse avec des radiométries faibles. Figure III-16 : Scène ERS-2 du 30/10/98, façade atlantique côtes du Gabon. On observe la mer agitée et une bande large de 100 à 200 mètres de radiométries faibles correspondant à des plages de sable. Figure III-17 : Plage de sable, Gabon, façade atlantique.

102 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine Terre Adélie. Le battement des marées étant de deux mètres et la côte étant bordée de falaises de glaces, on ne peut pas parler réellement de zone intertidale. On observe toutefois sur les images en bordure de côte une zone d une dizaine de pixels représentée par des radiométries faibles pouvant être clairement distinguées de la mer et du continent glaciaire. Il ne peut s agir uniquement de l ombre portée par les falaises de glace du continent glaciaire. De l avis des hydrographes envoyés sur place, cette région correspond à une zone où la mer est calme, l agitation en surface de l océan est brisée par une avancée de glaces du continent glaciaire immergée à quelques mètres [ADE 00]. Figure III-18 : Limite du continent glaciaire en Terre Adélie. On perçoit de faibles radiométries en mer au pied des falaises de glace de plusieurs centaines de mètres de large. Zone de mer calme au bord du continent glaciaire pouvant signifier une avancée de glace.

103 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine Mauritanie. Estran et petits fonds. Il n existe pas a priori de hauts-fonds sur cette zone. Les scènes ERS nous renseignent sur la présence de trains de houle quasi permanents et visibles sur certaines des scènes ERS acquises. La côte et les formations de vagues sont quasi parallèles à la trace du satellite (perpendiculaires à la direction de visée) et peuvent être observées, que ce soit en mode ascendant ou en mode descendant. Figure III-19 : Abordage du rivage, Nouakchott. Figure III-20 : Plage et port de Nouakchott. Les 100 km de littoral présents sur l image correspondent à une seule et même plage de sable fin que vient couper le port de l Amitié à la latitude de Nouakchott. L inexistence de routes Nord-Sud en Mauritanie confère à marée basse à la plage un rôle important car elle permet aux véhicules de se déplacer à vive allure. Les différentes hauteurs d eau correspondant aux heures d acquisition des images sont proches les unes des autres (entre 1.1 et 1.5m), sur les compositions colorées, La limite sable-mer est donc quasiment la même sur les différentes scènes. La pente de la plage ne peut être calculée avec ces données. Figure III-21 : Extrait carte IGN, édition Figure III-22 : Composition colorée, canal rouge : scène ERS-1 du 28 mai 1995, canal vert scène ERS-2 du 08 avril 1996, canal bleu, scène ERS-1 du 07 avril 1996.

104 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine. 93 La composition colorée ERS (figure III.23) et sa comparaison avec l ancienne carte IGN des années 60 (figure III.22) permet de mettre en évidence le résultat du phénomène d engraissement sédimentaire au nord des installations portuaires et de démaigrissement du cordon littoral au sud.

105 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine. 94 III.4. Milieu naturel, végétations continentales et d estran. III.4.1. Site principal retenu : Golfe de Guinée. Apport spécifique des images de cohérence. Cameroun. Les images d amplitude et de cohérence sur les zones de mangrove dans la région de Douala présentent une complémentarité originale. On perçoit ici sur les images de cohérence un fin réseau hydrographique masqué par de la végétation que l'on ne pouvait détecter sur les images d'amplitude [RUD+ 99]. Figure III-23 : Mangroves à l ouest de Douala. On distingue végétations hautes proches du réseau hydrographique et basses au milieu des îles de végétation de mangrove. Figure III-24 : Extrait image d'amplitude : zone de Mangrove, région de Douala, scène ERS-1 du 04/12/95, on distingue bien les îlots et le réseau hydrographique principal.

106 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine. 95 Figure III-25 : Extrait de l image de cohérence. Mangrove près de Douala. Nous observons, des facteurs de cohérence élevés (zones claires sur l image) à l'intérieur des îlots, aux endroits où la végétation est la plus basse (~2 mètres) et très faibles sur les plans d'eau et sur les végétations au bord des îles (les plants de palétuviers sont plus développés (hauteur ~20 mètres) près du réseau hydrographique). Figure III-26 : Douala, composition colorée des trois images de cohérence des couples interférométriques acquis en phase tandem (Canal Rouge : scènes des 04 et 05 décembre 1995, C Vert : scènes des 12 et 13 février 1996, C Bleu :.Scènes des 22 et 23 avril 1996). La cohérence est stable sur les trois couples de décembre, février et avril en période de petite saison sèche. Seule l image de cohérence du début de la saison sèche (décembre 1995) montre de plus fortes valeurs sur certains îlots.

107 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine. 96 Gabon Sur le site du Gabon, la complémentarité des images d amplitude et de cohérence apparaît de manière moins spectaculaire mais néanmoins intéressante (figure III.27 et 28). Figure III-27 et Figure III-28 : Scène ERS-2 du 30/10/98 et image de cohérence. Nous observons une forte cohérence sur les étendues de sable du cap Pongara (A), de fortes cohérences dans les savanes et les zones déforestées du sud de l estuaire (B) et, de même qu au Cameroun, des niveaux de cohérence moyens pour les végétations de mangroves (C). Figure III-29 : Estuaire du Wouri, Végétation et vase, zone de faible cohérence sur la figure III.25. Figure III-30 : Palétuviers, estuaire du Gabon (Photo UMLV/HT).

108 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine. 97 III.4.2. Autres sites. 1. Guyane. Les scènes ERS permettent de décrire certains types de végétation que l on rencontre sur la frange côtière. Figure III-31 : Différentes formations végétales vues par ERS (scène ERS-2, 1999). La mangrove adulte est facilement repérable sur les images en bordure de côte car la texture de l image est très homogène. La limite terre-mer correspond à de fortes radiométries, il s agit des troncs de palétuviers couchés sur la vase. La zone de mangrove est facilement délimitable au sud sur les images par l observation de l'ancien cordon sableux du quaternaire qui correspond à une élévation des altitudes, et au sud de cette limite par l apparition de reliefs modérés. 2. Terre Adélie. En milieu Antarctique, les évolutions côtières d un été austral à l autre sont très fortes et nous reviendrons sur ce point dans la section III.5. Les pointes rocheuses et les îles sont assez facilement identifiables sur les images. Leur délimitation précise reste difficile pour deux raisons : La surface marine apparaît très bruitée. En été austral il reste des blocs de glace le long du littoral (photo aérienne, figure III.47). L interprétation des données en bande C ERS serait sans doute facilitée par une comparaison avec des données en bande L 30 Figure III-32 : Ilot des pétrels, base Dumont d Urville, photo aérienne, les îles sont en partie recouvertes de neige et des blocs de glace flottent à la surface de l eau. La délimitation des îles devient alors difficile. 30 Les seules archives récentes d images satellitaires en bande L concernent le satellite JERS, hélas il n y a pas de couverture sur l Antarctique.

109 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine. 98 Images d amplitude. 3. Mauritanie. L imagerie RADAR rend bien compte des différents paysages que l on rencontre sur la plaine côtière (cordon littoral, zone argileuse et milieu dunaire). Figure III-33 : Composition colorée ERS sur l Aftout ès Sahéli (à gauche) et Sebkha de Ndrhamcha (Canal Rouge, scène du 07 avril 1996, C Vert O2 février 1996, C Bleu 16 août 99). Ces compositions colorées montrent de grandes variabilités dans les radiométries suivant les dates de prise de vue. Sur la figure de gauche, les zones argileuses à humidité affleurante sont perçues avec des radiométries très faibles (région (A)). Ce type de milieu peut rendre très difficile un déplacement motorisé sur la côte (figure III.36). Autour de cette zone apparaissent, en bleu vif ou en vert vif, des zones qui présentent de fortes radiométries pour une seule des trois dates (région (B)). Cette variabilité trouve son origine dans celle de l humidité des couches superficielles [COU+ 97].

110 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine. 99 Images de cohérence. La cohérence globale sur le couple à 24 heures d intervalles est forte sur le cordon dunaire et la plaine côtière hormis les zones lisses à l humidité affleurante qui possèdent de très faibles radiométries sur les images d amplitude (rapport signal/bruit très faible). Sur l image à 35 jours, seule la plaine côtière possède une cohérence élevée, les dunes de sables situées à l est de la zone apparaissent modifiées à l échelle de la longueur d onde. Figure III-34 : Image de cohérence, couple à une journée. Figure III-35 : Image de cohérence, couple à 35 jours. Figure III-37 : Végétations rases, région côtière. Figure III-36 : Zones argileuses, embourbement d un véhicule, région (A,) figure III.33 (photo UMLV /HT).

111 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine. 100 III.5. Evolutions côtières. III.5.1. Site principal retenu : Guyane. Les phénomènes d érosion et de sédimentation observés en Guyane (cf. chapitre I) sont liés au rejet de sédiments par l Amazone, au courant des Guyanes, à la présence de houle, et au cycle de croissance de la mangrove. La mise en conformité géographique des différentes images et cartes disponibles a permis de suivre ces évolutions côtières pendant une cinquantaine d'années sur les sites d Iracoubo et de Sinnamary. La figure III.40 montre que durant la période de 1937 à 1998, des sites sont successivement passés de l'état d'érosion à celui de sédimentation. D'autres sites au contraire ont gardé le même type d évolution (érosion ou sédimentation) mais connaissent un ralentissement, ce qui laisse à penser à un inversement prochain du processus. Figure III-38 : Banc de vase et végétation pionnière. Figure III-39 : Vue aérienne d un site en érosion, à l ouest de Kourou, végétation dégradée en bordure côtière. De nombreuses équipes de recherche ont étudié ces phénomènes de sédimentation côtières [FRO+ 88], [ALL+ 95], [CAC+ 95], [NIT+ 95] se basant essentiellement sur des mesures effectuées sur le terrain. [FRO+ 88], par exemple a observé, à l aide de couvertures aériennes et à l échelle du département, des vitesses moyennes de déplacements des bancs de 900 m.an -1 et des phénomènes de destruction de la mangrove provoquant jusqu à 300 m de recul du rivage.

112 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine. 101 Carte marine Scène Landsat MSS, Scène ERS1, Scène ERS1, Scène ERS1, Scène ERS1, Figure III-40 : Différentes vues de la même zone de 1937 (carte marine) à 1999, région d Iracoubo. On remarque les évolutions importantes (érosion et sédimentation) intervenues entre ces deux dates. Pour tenter de quantifier ces évolutions, nous avons individualisé trois zones sur la région d étude en tenant compte des axes principaux d évolution sur les images et de la présence des deux estuaires des fleuves Sinnamary et Iracoubo. La synthèse des résultats obtenus est donnée figure III.42 et tableau III.1.

113 Chapitre III Apports thématiques des images RSO pour la cartographie marine. 102 Figure III-41 : Découpage du site d Iracoubo et Sinnamary selon les évolutions observées. Evolution (en km²) Site d'iracoubo. Site de Sinnamary Période Partie ouest Partie Est (+1.25 km².an -1 ) +18 (+0.45 km².an -1 ) (+1 km².an -1 ) -12 (-1.2 km².an -1 ) -24 (-2.4 km².an -1 ) (-1 km².an -1 ) -7 (-1.75 km².an -1 ) -1 (-0.25 km².an -1 ) Bilan Tableau III-1 : Evolutions surfaciques des végétations de mangrove. Les vitesses d'expansion (indiquées entre parenthèses) sur chaque site peuvent atteindre jusqu'à 2 km 2.an -1. Dans le cas du site de Sinnamary, les évolutions constatées durant les soixante dernières années s'annulent pratiquement : la balance des surfaces est légèrement négative (~7km 2 ).En tenant compte des vitesses d'expansion de la mangrove, le trait de côte au début des années 90 devait correspondre à celui de la carte marine de 1937, on observe alors ici un retour à l'état antérieur au bout d une cinquantaine d années. Figure III-42 : Evolutions du trait de côte entre 1937 et 1998, fond image, scène ERS-1 de Les évolutions ont été représentées de deux manières : sur les estuaires parallèlement au réseau hydrographique et dans les autres cas, perpendiculairement au trait de côte.