La console de visualisation, outil de représentation et de traitement des données géologiques dun site

L'informatique géotechnique G. GROS Ingénieur Division des routes et autoroutes de rase campagne La console de visualisation, outil de représentation et de traitement des données géologiques dun site T A 'ETUDE d'un projet routier comporte schématiquement trois phases : l'étude préliminaire, généralement effectuée à l'échelle du 1/25 000, permet de choisir parmi les grandes variantes d'aménagement un projet inscrit dans une bande d'étude de l'ordre d'un kilomètre de large ; l'étude sommaire, réalisée à l'échelle du 1/10 000 ou du 1/5 000, conduit à l'énoncé du projet et à la définition du tracé retenu dans une bande d'étude de trois cents mètres de largeur environ ; l'étude détaillée fixe de façon définitive les dimensions et l'implantation du projet à la suite d'une série d'études spécifiques. Bien entendu, le géologue et le géotechnicien jouent un rôle important et interviennent dans chacune de ces trois phases pour définir la nature et la répartition des divers terrains, pour estimer les difficultés de réalisation du projet et évaluer son coût avec une précision suffisante, afin de ne pas fausser les calculs économiques liés à chaque phase. Au niveau de l'étude préliminaire, le champ des variantes techniques généralement très vaste oblige à prendre en compte, de façon globale, les données géologiques après consultation de documents cartographiques et dialogue, souvent sur le terrain, entre le projeteur et le géologue. Lors de l'étude détaillée, la précision requise nécessite une étude géologique de détail et l'intervention de différents spécialistes pour apporter des solutions à des problèmes assez étroitement limités dans l'espace. La phase intermédiaire, par une étude géologique précise de terrain, conduit à l'estimation du projet et à l'appréciation des difficultés qui seront rencontrées. En outre, à l'issue de cette étude par la synthèse et l'interprétation des informations recueillies, le géologue peut définir, au moyen de quelques coupes, l'architecture des divers terrains. A ce stade, les moyens traditionnels d'étude limitent le nombre des coupes dans le voisinage du projet. Cela peut entraîner les projeteurs, lors de la détermination d'un tracé, à retenir des hypothèses géologiques parfois trop simplificatrices, acceptables par la force des choses lorsque les calculs sont manuels, mais regrettables dès lors que l'homme peut être assisté par un ordinateur. C'est avec le souci d'obtenir des données géologiques exploitables par les programmes de calcul de terrassement et traduisant, aussi fidèlement et complètement que possible, la connaissance géologique du site qu'en a le géologue, que nous avons envisagé le traitement semi-automatique des données géologiques rassemblées au stade de l'étude préliminaire et de l'avant-projet routier. Nous cherchons à mettre au point un outil informatique au service du géologue, adapté au processus habituel d'étude et à l'hétérogénéité des données et permettant la définition géologique du site dans l'espace. C'est dans cet esprit que nous avons écrit un ensemble de programmes regroupés en un système nommé VERCORS. En baptisant notre système VERCORS, nous avons résumé ses fonctions principales puisque VERCORS signifie selon les lettres du nom : Visualisation pour les Etudes géologiques Routières des Coupes produites par Ordinateur et des Renseignements du Sous-sol. A terme, cet outil devrait permettre au géologue de vérifier, dans une bande d'étude fixée, les données géologiques et géotechniques nécessaires à un projet routier. Il devrait, 133

d'autre part, après traitement de ces données, fournir un fichier de données directement utilisables par les programmes classiques d'étude des projets, valable même en présence de modifications mineures de tracé. Le principe général est centré sur l'emploi de la console de visualisation IBM 2250 et repose sur l'obtention semiautomatique de coupes géologiques affichées à l'écran et soumises à l'approbation du géologue. En effet, il nous a semblé qu'un réseau de coupes spécialement construit et organisé en vue de fournir par interpolation linéaire, la cote en un point quelconque du site du toit des diverses formations, constituerait un modèle numérique exploitable automatiquement par des programmes (fig. 1 et 2). Ce modèle est donc la traduction numérique d'une «maquette géologique», c'est-à-dire d'un ensemble de coupes choisies pour leur bonne représentativité du site. Fig. 1 - Carte des informations affichée à l'écran de visualisation. Elle rend compte des informations disponibles, extraites des fichiers, selon des critères choisis par l'utilisateur. Sur l'écran les figurés géologiques sont remplacés par des lettres. Formation E3 A mu D Contour des affleurements lïïïïïï)b Faille r~1 C ESSI F Sondage EZ3 G A cette fin, l'utilisateur construit une base de données en vue d'archiver l'essentiel des informations collectées lors de la campagne de terrain. Ces diverses données sont accompagnées d'une valeur de tolérance et d'un indice de crédibilité afin de maîtriser leur influence dans certains algorithmes. Il peut leur être adjoint des commentaires, des renseignements non pris en compte par les programmes de calcul, mais pouvant être visualisés, dessinés, édités pour permettre une meilleure critique et une meilleure interprétation des résultats (voir en fin d'article les planches exemples 1 et 2). Pour faciliter l'accès aux données de la base, aussi bien d'un point de vue utilisateur que d'un point de vue informatique, elles sont archivées indépendamment les unes des autres, dans la mesure du possible, et selon une structure logique comprenant des catégories, des groupes et des classes. L'utilisateur peut répartir ses informations selon trois classes, arbitrairement, ou en fonction de certaines propriétés, par exemple : l'objet de leur acquisition, l'organisme responsable, l'étape à laquelle elles se rapportent dans l'étude du projet. Les catégories sont, elles-mêmes, divisées en groupes auxquels il est possible d'attribuer des caractéristiques particulières de représentation graphique. On distingue quatre catégories : le terrain naturel, les données géologiques, les coupes géologiques, les sondages. Les données «terrain naturel» décrivent d'une façon discrète et numérique, la surface du terrain naturel couvrant la zone d'étude. Elles peuvent être obtenues à partir des photographies aériennes, levés au sol, ou d'une carte topographique numérisée à l'aide d'un lecteur de point. La catégorie des «données géologiques» réunit les résultats des études géologiques et structurales, dont le rôle est de préciser les conditions géométriques auxquelles doivent satisfaire les diverses formations. C'est dans cette catégorie qu'est définie la relation de superposition, donnée indispensable précisant l'ordre normal de succession des diverses formations. Fig. 2 - L'utilisateur peut dessiner sur l'écran la trace des coupes qu'il souhaite obtenir. Elles formeront une «maquette géologique» ou «modèle numérique». Généralement, ces coupes passent par les sondages ou à proximité. Les données géologiques sont repérées par leurs coordonnées dans l'espace. Elles peuvent être ponctuelles lorsqu'une formation est connue en un point, associées selon une ligne dans le cas du contour des affleurements et des lignes de rupture définissant une discontinuité du type faille, affectées à une zone lorsqu'il s'agit des pendages ou des contraintes maximales ou minimales attribuées à une formation. 134

Les données de la catégorie «coupe géologique», si elles existent, expriment des hypothèses de travail ou des renseignements relatifs à la superposition des diverses formations, forment une base de départ en vue de l'investigation semi-automatique de la zone d'étude. La catégorie «sondages» regroupe les informations extraites du cahier des sondages accompagnant les rapports géologiques. Bien que tous les renseignements contenus dans un sondage puissent être archivés et restitués, tous ne peuvent être intégrés dans les divers programmes. Seules les cotes ou profondeurs relatives aux formations interviennent dans les calculs. L'objet essentiel de la consultation de la base de données réside dans la constitution d'une carte, dite carte des informations. L'extraction des données peut se faire selon deux modes : le mode global, opérationnel et le seul utilisé actuellement ; le mode ponctuel, en cours de mise au point et devant, dans un proche avenir, être mis à la disposition des utilisateurs. Dans le premier cas, le programme d'extraction ne retient que les informations situées à l'intérieur d'un domaine défini par l'utilisateur, et appartenant aux catégories et groupes de données désignés par lui-même (fig. 3). Dans le second cas, il s'agit d'un programme d'interrogation des fichiers adapté à la base de données, offrant à l'utilisateur la possibilité de définir des critères d'extraction, éventuellement, liés logiquement entre eux (fig. 4). Par l'intermédiaire de la console, l'utilisateur peut choisir des informations dans un but précis et demander leur représentation cartographique à l'aide de symboles traduisant leur répartition et leur nature (fig. 5, 6, 7 et 8). Grâce à cette carte affichée à l'écran, le géologue peut, avec le photostyle, dessiner la trace des coupes dont il a besoin et sélectionner, pour chacune d'elles, les informations ponctuelles qu'il juge utiles à leur réalisation (fig. 9). Cela permet au géologue de conduire les opérations de construction du modèle numérique. Au fur et à mesure que les coupes sont déterminées par le programme, elles sont visualisées pour être soumises à l'approbation de l'opérateur (fig. 10 et 11). Ainsi, le géologue peut explorer toute une zone, en établir librement la charpente géologique au moyen de coupes dans leur ensemble cohérentes au sens des critères qu'il se sera imposé. Naturellement, il peut arriver, en cours de traitement, l'apparition d'ambiguités nécessitant un complément d'informations. Dès que ces données supplémentaires auront été à leur tour archivées, le géologue pourra réajuster localement le modèle en cours de réalisation. Le modèle numérique final, ainsi constitué, permet la production automatique de profils géologiques en long et en travers d'une route. Bien entendu, la représentativité d'un tel modèle dépend de la nature, de la qualité et de la quantité des renseignements utilisés. L'auteur tient à remercier les ingénieurs des Laboratoires de Rouen et d'autun qui ont mis à sa disposition leur expérience, et ont fourni les données nécessaires pour les tests et la mise au point des programmes. Fig. 3 - Tableau récapitulatif des données de la base. Il renseigne sur le contenu des fichiers par catégorie (TOPOGRAF, CARTGEOL, COUPGEOL, TOIT FORM, NOM, SONDAGES), pour chaque catégorie par groupe (NIVE, AFFL, FORM, GEOL, LEGE, ETC.). et indique la classe attribuée aux diverses données (1, 2 ou 3). Il permet de choisir globalement certaines informations en vue de leur traitement préliminaire et de leur représentation cartographique avant exploitation. Le programme d'extraction ne retient que les informations désignées par l'utilisateur à l'aide du photostyle en pointant la classe 1 des données AFFL : affleurement) et situées à l'intérieur d'un domaine défini au moyen du clavier alphanumérique (XMIN = 779 150, YMIN = 156 150, XMAX = 779 750, YMAX = 156 750). Les photos et dessins présentés dans cet article, le sont en tant que schémas explicatifs. Bien que ces divers résultats aient été obtenus à partir des données extraites d'études géologiques réelles, ils ne pourraient en aucun cas être considérés comme expression correcte de la géologie des sites concernés. 135

Fig. 4 - Définition des critères d'extraction des données. L'extraction des données peut se faire au moyen d'un programme d'interrogation des fichiers adapté à la base offrant à l'utilisateur la possibilité de définir des critères d'extraction éventuellement liés logiquement entre eux. Ex. : Extraction des données situées à l'intérieur défini en x et y par MINI et MAXI. d'un domaine Ces données étant : les formations (LEGE) des sondages (SOND) de classe (2) ayant atteint le bajocien calcaire à moins de 5 m de profondeur ou les marnes du lias à moins de 50 m, les données ponctuelles (MINP) issues du rapport géologique (CART) de classe (2), relatives au calcaire sinémurien à moins de 20 m de profondeur. Fig. 5 - Carte géologique. Après consultation des fichiers, visualisation de la carte géologique à grande échelle. Les contours des formations sont représentés par des lignes courbes. Les formations sont identifiées par des lettres situées de part et d'autre de leur contour. Les failles sont repérées par des droites. A droite de l'écran est affichée la relation de superposition des formations ou échelle lithostratigraphique permettant de lire la carte. Fig. 6 - Carte de situation des sondages. Visualisation de la carte géologique et de l'implantation. des sondages. Cette carte rend compte, à l'aide de symboles graphiques de la répartition et de la nature des informations disponibles.

Fig. 7 - Sondage. A partir de la carte de situation des sondages, affichée à l'écran, l'utilisateur peut désigner, à l'aide du photostyle, les sondages, qu'il désire visualiser afin de les examiner et de les supprimer de la carte s'ils n'informent pas utilement. Fig. 8 - Carte des informations. Cette carte, dite carte des informations disponibles, a été obtenue après visualisation et élimination des sondages erronés, redondants ou jugés inutiles. Elle pourra être exploitée en vue de la production des coupes géologiques. Fig. 9 - Choix des coupes à réaliser. L'affichage à l'écran de la carte des informations offre la possibilité à l'utilisateur de dessiner, avec le photostyle, la trace des coupes dont il a besoin et de sélectionner, pour chacune d'elles, les informations ponctuelles (sondages) qu'il juge utiles à leur réalisation. La trace des coupes apparaît selon des lignes droites ou brisées passant à proximité des sondages (TSI, XCHI, TS 4) et recoupant les contours géologiques.

Fig. 10 - Visualisation des coupes avant archivage. Après avoir ordonné l'exécution des diverses coupes, elles sont au fur et à mesure visualisées pour être examinées, éventuellement complétées ou retouchées. Ainsi, il est possible d'introduire des nuances que le programme ne peut pas prendre en compte et que seul le géologue, par sa connaissance du terrain, peut inclure. La photo représente : En haut, le voisinage cartographique de la coupe passant par les sondages TS8, TS9 et 24 entrecoupant les formations T2/T1, ainsi que deux failles verticales. En bas, la coupe obtenue automatiquement. Dans le compartiment de gauche délimité par deux failles verticales, le sondage TS8 et la mise en place de l'interface des formations T1/T2. Dans le compartiment de droite, s'arrêtant à la faille centrale, les interfaces des formations T1/T2 et des formations intermédiaires T11/ T12 et T21 appartenant respectivement à T1 et T2. A droite la colonne lithostratigraphique indiquant la superposition des formations. Fig. 11 - Examen comparatif des coupes. La constitution du modèle numérique s'obtient pas à pas, par la construction automatique des coupes dans des directions diverses. Le choix des coupes représentatives et la mise en place de nouvelles coupes nécessitent la comparaison deux à deux des coupes situées dans le voisinage l'une de l'autre. De cette façon, il est possible d'explorer toute une zone, d'en établir la» charpente géologique» au moyen de coupes dans leur ensemble cohérentes et spécialement archivées pour leur représentativité. La photo montre deux coupes dont les traces sont représentées sur la carte des informations (fig. 9). Elles passent respectivement par les sondages TS1, XCH1, TS4 et TS7, TS5, 24.

Exemple n 1 de restitution cartographique des données géologiques archivées dans la base de données. Le dessin comporte à l'échelle du 1/10 000 : le contour des diverses formations géologiques situées dans la bande d'étude du projet (3 km X 10 km). Ces formations sont identifiées sur le dessin par des lettres réparties de part et d'autre du contour ; les axes anticlinaux et synclinaux sont respectivement symbolisés par des -f et des > ; les informations toponymiques (rivières, lieux-dits, routes, etc.) ; les informations géotechniques (limites d'atterberg) ; la trace du projet en trait fort ponctué de croix ; le carroyage Lambert. 139

Exemple n 2 de restitution cartographique des données archivées dans la base. Le dessin comporte à l'échelle du 1/5 000 les courbes de niveau définissant le terrain naturel ; le contour des diverses formations géologiques du site étudié (2 km x 2 km). Ces formations sont identifiées sur le dessin par des lettres réparties de part et d'autre du contour ; les discontinuités géologiques en trait fort ; les informations toponymiques (routes, lieux-dits) ; le carroyage Lambert. 140