La cartographie du terrain et l'élaboration de la bathymétrie

Avant même de vouloir lancer une simulation il faut savoir où situer les profils de profondeurs sur la carte, connaître l'emplacement des berges, réaliser une bathymétrie et comprendre la topographie du terrain. Toutes ces étapes nécessite l'utilisation de SIG. Dans notre cas nous utiliserons la suite de logiciel ArcGIS.

Le premier objectif de cette étape concerne la cartographie. Il s'agit d'abord de géoréférencer toutes les données cartographiques sous le même système de coordonnée, puis ensuite d'en extraire les coordonnées X Y Z de manière à réaliser le fichier de coordonnées xyz compréhensible par matisse.

La deuxième partie s'intéresse plus particulièrement à l'élaboration de la bathymétrie. En plus des maigres images de fonds sableux, un fond très grossièrement estimé a été réalisé pour simuler l'écoulement du fleuve.

La cartographie

Il s'agit de situer les données disponibles sur une seule et même carte. Le système de coordonnée utilisé est le WGS84 33S UTM. WGS84 (World Geodetic System 1984 )est un système géodésique très répandu et utilisé notamment pour les mesures GPS. C'est une manière de représenter l'ellipsoïde terrestre. La Transverse universelle de Mercator UTM (Universal Transverse Mercator) est un type de projection permettant de localiser les points sur cet éllipsoïde. Enfin, le terme 33S permet de savoir dans quelle partie de l'hémisphère sud on se trouve.

Exprimée en mètre, la zone étudiée s'étend d'ouest en est de 531000 à 561000, soit une longeur de 30 km, et du nord au sud de 9548000 à 9520000, soit 28 km. Cela représente une surface totale de 840 km2. On distinguera le bras gauche du bras droit puisque, nous le verrons plus tard, deux simulations seront réalisées sur ces deux branches du fleuve.

La zone étudiéeLa zone étudiée

Plusieurs couches se superposent ici. A l'aide du logiciel ArcGIS le MNT et le tracé du fleuve SRTM ont été superposés et projetés dans le même système de coordonnée vu précédemment. Quant aux fichiers jpeg représentant les fonds sableux sondés par le SCEVN, ils ne possèdent aucune information numérique de géoréférencement. Fort heureusement les repères sur la carte fournissent les coordonnées en mètres exprimées dans le système WGS84 33S UTM.
Il suffit donc de géoréférencer trois points sur chaque image jpeg sous le SIG pour les placer correctement sur la carte globale. Cette méthode fonctionne très bien sous ArcGIS. Prenons l'exemple du canal Mbamou situé à proximité du beach de Brazzaville. Sous ArcGIS il suffit d'importer la carte jpg en tant que couche, puis avec l'aide de l'outil géoréférencement on définit trois points sur la carte :

Ces trois points concordent avec le référencement de la carte. Dans les colonnes "source X" et "source Y" les valeurs des coordonnées actuelles qu'Arcgis a attribué par défaut à la carte apparaissent. Les colonnes "XCarte" et "YCarte" sont les nouvelles coordonnées à rentrer manuellement en fonction des valeurs lues sur la carte. Cela donne en image :

Géoréférencement sous ArcgisGéoréférencement sous Arcgis

Le résultat final se trouve ci-dessous. La première remarque sautant aux yeux concerne le peu de données disponibles face à l'ampleur de la bathymétrie à réaliser. Compte-tenu du temps imparti au BEI et du calendrier fixé au départ, il est difficile d'imaginer avoir une bathymétrie aussi précise que les trois zones que nous avons sur tout le fleuve. L'objectif de la seconde étape sera donc d'établir une bathymétrie « à la main » qui, même si elle ne représente pas forcément la réalité, restera malgré tout cohérente et permettra de simuler un écoulement afin de voir l'évolution du fond sableux sur les trois zones où la bathymétrie est précise.

Le géoréférencement des images jpegLe géoréférencement des images jpeg

 

La construction de la bathymétrie

La bathymétrie s'est réalisée en deux étapes : une très précise et une autre très approximée. La première consiste à traiter les images jpeg à notre disposition pour en extraire les coordonnées x y et z qui serviront de données d'entrée pour l'élaboration du maillage sous matisse.

  • Traitement des images jpeg

Pour exploiter ces images plusieurs solutions existent. La reconnaissance de caractère peut marcher. Ne disposant pas de cette technologie, la seule solution possible reste le géoréférencement à la main. La technique employée ici est basique mais fonctionne tout à fait correctement : il s'agit de tracer un repère à la règle, de reprendre les coordonnées des sondages un par un et de reporter leurs valeurs dans un tableau EXCEL, ainsi que leur coordonnée dans le repère tracé sur la feuille.. Une simple transformation des coordonnées suffit à passer du repère tracé à la main au système de coordonnées WGS84 33S UTM.

L'exemple ci-dessous montre le tracé du repère de coordonnée (x,y), ainsi que le changement de repère associé pour le cas de la gare à passager.

Changement de repèreChangement de repère

Pour passer des coordonnées (x,y) sur la feuille aux coordonnées (X Y) du WGS84, la formule de changement de repère correspond à une rotation d'un angle de 28° et une translation selon les deux axes X et Y. Sous forme matricielle, cela donne :

Le coefficient 30,86 correspond au rapport d'échelle existant entre les deux systèmes de coordonnées. Sur la carte 8,1 cm correspondent à 250 m dans la réalité.

  • La construction de la bathymétrie

En-dehors des trois zones précédemment citées, aucune autre donnée précise de bathymétrie n'était diponible pour établir la bathymétrie du reste du fleuve. Il a donc fallu créer une bathymétrie qui, même si elle ne représente pas la réalité, soit cohérente. L'IMFT possède un ancien annuaire hydrologique du fleuve Congo où sont consignés plusieurs relevés hydrologiques datant des années 50, notamment des mesures régulières des caractéristiques du fleuve sur l'année 1956 à une distance d'un kilomètre en aval de la "Pointe Kalina".

 

Date Lecture
échelle (m)
Largeur (m) Section
mouillée (m2)
Prondeur
maximum (m)
Rayon
hydraulique (m)
Vitesse superf.
moyenne (cm/s)
Vitesse moyenne (cm/s) Débit m3/s
22.2.1956 1.85 1583 28090 27.40 17.58 218 152 42500

Nous avons tracé trois lignes de bathymétrie sur matisse, ce qui correspond à une section en forme de "cuvette" :

Section du fleuveSection du fleuve

A partir de la hauteur d'eau maximum, de la surface mouillée, de la longueur, la bathymétrie a été extrapolée, du moins sur les grandes sections du fleuve.

Par ailleurs, les berges ne sont pas à hauteur constante. En effet lors de l'extraction de leurs coordonnées x y z, le MNT a été pris en compte. Cela signifie que la hauteur des berges n'est pas constante. A cause de cette remarque, les simulations ne fonctionnaient pas. Il a donc fallut créer des lignes de bathymétries très proches des berges dont la valeur est fixée à 266 m (côte de la surface de l'eau).

L'importation des données sous matisse

  • L'extraction des données xyz

Le logiciel matisse permet de réaliser le maillage qui permettra à TELEMAC de simuler l'écoulement. Pour plus d'informations sur le logiciel matisse, voir la section modélisation.

Les fichiers textes xyz contiennent les coordonnées x y de chaque point avec une bathymétrie z. On dispose des trois zones vues précédemment, rentrées à la main sous excel, ainsi que des contours du fleuve. A l'aide du logiciel ArcGIS, les contours du fleuve ont été convertis en coordonnées x y z. Deux fichiers de contours sont disponibles : l'un pour la partie gauche du fleuve (contour_gauche.txt), l'autre pour la partie droite (contour_droite.txt).

Les fichiers sont disponible en téléchargement ici

  • La bathymétrie du reste du fleuve

A l'aide de la section vue précédemment, la bathymétrie "approximative" du fleuve a été réalisée. Sous matisse, trois lignes de profondeurs ont été tracées sur les grandes sections du fleuve, et une ligne entre chaque île.

Bathymétrie du hautBathymétrie de gauche
Bathymétrie de droiteBathymétrie de droite