Gestion des données d'altitude : Partie 1 : A propos des données d'altitude

Avant de commencer un workflow de gestion et de diffusion des données d'altitude, vous devez avoir un certain nombre de notions sur les données. Ce workflow se divise en trois parties : La première partie vise à présenter les données d'altitude. La deuxième partie décrit le plan de gestion des données ainsi que les questions à prendre en compte. La troisième partie vous guide tout au long des étapes de gestion et de publication des données d'altitude.

Sol et altitude de surface

Deux représentations d'altitude fondamentales sont nécessaires à la plupart des utilisateurs : l'altitude du sol et de la surface. L'altitude du sol est parfois désignée par l'expression " terre nue ", " terre lisse " ou modèle numérique de terrain (DEM). L'altitude de surface est quant à elle généralement définie par la terre et les objets reposant sur celle-ci, notamment les bâtiments, le couvert forestier, les ponts, etc. L'altitude de surface est parfois désignée par l'expression " modèle de surface numérique " (DSM). D'autres préféreront l'expression " modèle numérique de terrain " (DTM) pour désigner les données DEM stockées et modélisées directement à partir de points.

En règle générale, le DEM est nécessaire à l'orthorectification de l'imagerie aérienne alors qu'un DSM doit être utilisé pour les calculs du champ de vision.

Une quatrième représentation est un DEM défini de manière hydrographique. Ce cas spécial de DEM a été développé conformément à des méthodes strictes et à des contrôles qualité utilisés dans la modélisation hydrologique, la modélisation informatique du flux hydraulique par exemple. Ce type de DEM ne s'applique qu'à un faible nombre d'organisations ou d'applications. Le cas échéant, il sera toutefois précisé dans ce workflow.

Représentation des plans d'eau

Les plans d'eau peuvent être représentés différemment dans les modèles d'altitude. Leur représentation dépend généralement des besoins des utilisateurs. Parmi les options standard, citons :

1. L'eau est une surface plane. Par exemple, pour les virtualisations simples, tous les lacs et océans doivent être représentés à leurs niveaux d'eau normaux. Dans certains cas, les plans d'eau peuvent être normalisés afin de présenter une valeur d'altitude nulle (zéro). Ceci est généralement le cas pour l'orthorectification.
2. Les données souterraines de l'eau sont valides. Par exemple, pour la modélisation hydrologique, un ingénieur en travaux publics souhaitera peut-être connaître la topographie du bassin d'un fleuve sans eau. Le DEM inclut pour cela des données bathymétriques.
3. L'eau présente une valeur NoData (car il ne s'agit pas du sol). Par exemple, pour une application nécessitant des calculs précis de zone terrestre.

Le premier cas de figure constitue l'interprétation préférée pour la plupart des applications.

Hauteur ellipsoïdale et orthométrique

Un autre attribut de données que le gestionnaire de données doit connaître est la différence entre hauteur ellipsoïdale et hauteur orthométrique. xxx La hauteur ellipsoïdale fait référence aux valeurs d'altitude au-dessus et en dessous d'une surface idéalisée se rapprochant de la forme de la terre en tant qu'ellipsoïde simple. WGS 84 est un exemple d'ellipsoïde mais de nombreux autres ellipsoïdes peuvent être utilisés.

Il convient de comprendre que l'ellipsoïde est une surface extrêmement lisse et qu'il peut varier considérablement du niveau local de la mer (défini par un modèle de géoïde). Les technologies de positionnement modernes (positions orbitales satellites et GPS par exemple, largement utilisées dans la photographie aérienne, lidar et radar topographique, ainsi que l'arpentage basé sur le sol) procèdent généralement à toutes les mesures par rapport à un ellipsoïde de référence.

La hauteur orthométrique fait référence aux valeurs d'altitude au-dessus et en dessous d'une surface de modèle de géoïde ; le géoïde se rapprochant du niveau local de la mer. Bien que le géoïde soit également une surface mathématique relativement lisse, il inclut une variation plus importante que l'ellipsoïde due à des différences locales de gravité. Dans les méthodes d'arpentage traditionnelles (non basées sur un satellite), toutes les mesures sont généralement effectuées par rapport au géoïde (niveau local de la mer).

• Les hauteurs ellipsoïdales sont généralement utilisées pour les applications basées sur des données GPS et pour l'orthorectification de l'imagerie satellite. La photographie aérienne peut quant à elle utiliser l'une ou l'autre méthode en fonction du datum utilisé pour l'orientation extérieure. L'orientation extérieure peut être orthométrique (si le contrôle du projet a été généré à l'aide de données de station terrestre) ou ellipsoïdale (GPS aéroporté + IMU par exemple). Dans le dernier cas, la hauteur du sol ellipsoïdale est nécessaire pour la prise en charge du processus d'orthorectification.
• Les hauteurs orthométriques sont généralement utilisées dans l'arpentage, l'hydrologie, l'agriculture et la gestion du sol.

La plupart des jeux de données d'altitude sont traités afin d'indiquer la hauteur orthométrique mais le gestionnaire de données doit connaître la différence entre ces deux hauteurs et confirmer les données d'entrées fournies. De plus, la nécessité de proposer des données d'altitude dans les deux formats est plus que probable, d'où la nécessité d'un processus de conversion.

Pour plus d'informations, reportez-vous à http://www.ngs.noaa.gov/GEOID/PRESENTATIONS/2007_02_24_CCPS/Roman_A_PLSC2007notes.pdf.

Dans la plupart des cas, il est recommandé de configurer le service d'altitude de base pour une hauteur orthométrique. Si des hauteurs ellipsoïdales s'avèrent être nécessaires par la suite, des fonctions peuvent être appliquées (à l'aide d'un géoïde approprié) pour calculer un service de hauteur ellipsoïdale. Des exemples sont proposés aux liens suivants :

• Conversion de hauteurs orthométriques en hauteurs ellipsoïdales à l'aide du géoïde (EGM96) dans ArcGIS.
• Blog spécifique à EGM2008 : Conversion de hauteurs orthométriques en hauteurs ellipsoïdales à l'aide d'EGM2008.

Précision des mesures d'altitude

Deux valeurs communes associées aux données détectées à distance et à la cartographie permettent de définir la précision des données : l'erreur circulaire et l'erreur linéaire. La précision spatiale horizontale correspond à l'erreur circulaire liée aux coordonnées horizontales d'un jeu de données selon un degré de confiance (exprimé en pourcentage) spécifié. La précision spatiale verticale est définie par l'erreur circulaire liée aux coordonnées verticales d'un jeu de données selon un degré de confiance (exprimé en pourcentage) spécifié, une mesure d'altitude par exemple. Par principe, la précision est mesurée par la probable distribution d'une valeur par rapport à la valeur réelle. La précision d'un niveau de confiance de 90 % signifie qu'une position précise à 90 % est inférieure ou égale à une valeur de précision rapportée.

Certains éléments des métadonnées (CE90 par exemple) correspondent à une mesure d'erreur circulaire de 90 % et sont généralement associés à une valeur. LE90 correspond à une erreur linéaire de 90 %. VE (pour erreur verticale) peut également apparaître. Il s'agit d'une erreur linéaire dans la direction verticale. Par exemple, des données SRTM sont généralement rapportées sous la forme VE90 = 16m, ce qui signifie que 10 % de la mesure verticale peut varier de plus de 16 m par rapport à la mesure verticale correcte au niveau d'un point (les inexactitudes de latitude, longitude et de hauteur sont prises en compte).

Des normes de cartographie nationales sont appliquées depuis 1947. Par exemple, " Pour les cartes dont l’échelle de publication est supérieure à 1:20 000, moins de 10 % des points testés doivent présenter une marge d’erreur supérieure à 1/30 pouces…Ces critères de précisions doivent s’appliquer uniquement à des points bien définis, …tels que les monuments ou repères, les intersections de route, etc. " (U.S. Bureau of the Budget, 1947). Depuis, de nouvelles normes ont été adoptées, la dernière ayant été publiée par le FGDC (Federal Geographic Data Committee) en 1998. Par exemple, pour rapport une classification de précision de 1 mètre pour une fonction avec un niveau de confiance de 95 %, la précision des données doit être inférieure ou égale à 1 mètre. La principale différence entre ces mesures réside dans le fait que la norme n'est plus basée sur une mesure utilisant une échelle. Vous pouvez également constater que la mesure est plus précise (de CE90 à CE95).

Bibliographie :

1. Federal Geographic Data Committee, 1998, Part 2, Standards for Geodetic Networks, Geospatial Positioning Accuracy Standards, FGDC-STD-007.2-1998: Washington, D.C., Federal Geographic Data Committee.
2. Principles of Error Theory and Cartographic Applications by C.R. Greenwalt and M.E. Shultz, ACIC Technical Report No. 96, Aeronautical Chart and Information Center, St. Louis, 1968 (nouvelle impression).
3. U.S. Bureau of the Budget, 1947, United States National Map Accuracy Standards: U.S. Bureau of the Budget, Washington, D.C.

Sources de données

Il existe trois types de données de base.

1. Données publiques (gratuites, provenant généralement de sources officielles)
2. Données de fournisseurs cartographiques proposant des produits commerciaux
3. Données propriétaires générées par votre organisation (via des sources internes ou un contrat auprès d'un fournisseur de services cartographiques)

Ces sources de données ou d'autres peuvent proposer des données d'altitude via Internet sous forme de service ou de données à télécharger. Une organisation peut utiliser un tel service mais le workflow associé implique que les données utilisées par le gestionnaire de données soient des données stockées localement en interne.

Données publiques

Le tableau ci-dessous répertorie des sources de données d'altitude relevant du domaine public.

• GTOPO est un jeu de données d'altitude mondial global avec une résolution de 30 seconds d'arc (environ 1 km), disponible pour le téléchargement à l'adresse http://www1.gsi.go.jp/geowww/globalmap-gsi/gtopo30/gtopo30.html.
• ETOPO est un modèle de relief global de 1 minute d'arc de la surface de la Terre qui inclut la topographique du sol et la bathymétrie océanique, disponible pour le téléchargement à l'adresse http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html.
• GMTED2010 (Global Multi-resolution Terrain Elevation Data 2010) est une suite de produits à trois résolutions différentes (1 000, 500 et 250 mètres environ) proposée par l'USGS. Pour plus d'informations, reportez-vous à http://pubs.usgs.gov/of/2011/1073.
• SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) sont des données d'altitude sur une échelle quasi-globale acquises par une navette spatiale visant à générer la base de données topographique numérique haute résolution de la Terre la plus complète possible. Ces données sont disponibles à l'adresse http://srtm.usgs.gov/index.php.
• ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) est un instrument du satellite Terra de la NASA. L'imagerie stéréo de ce capteur a été traitée afin de générer un modèle d'altitude numérique quasi-global entre les latitudes 83N et 83S latitudes avec des réinjections de 30 mètres. Ces données sont disponibles à l'adresse http://asterweb.jpl.nasa.gov/gdem.asp.
• Le NED (National Elevation Dataset) a été créé par l'USGS pour les Etats-Unis. Les données NED sont disponibles au niveau national à des résolutions de 1 seconde d'arc, d'1/3 de seconde d'arc et d'1/9 de seconde d'arc (dans des zones limitées). Pour en savoir plus, reportez-vous à http://ned.usgs.gov/.
• Modèles de géoïde tels que EGM96 et EGM2008. (Le géoïde inclus dans ArcGIS est une approximation de EGM96.)
• Esri propose diverses couches de fond de carte, un relief ombré par exemple, ainsi qu'un service d'altitude mondial et gratuit sur le site ArcGIS.com qui inclut les sources de données du domaine public indiquées ci-dessus. Pour obtenir les dernières informations, consultez le site http://www.arcgis.com/.

Données de fournisseurs

Vous trouverez ci-après quelques exemples de sociétés privées proposant (moyennant un coût) des données d'altitude sous forme de produit (commercial) prétraité ou de projets d'acquisition personnalisés, selon les besoins :

• Intermap (www.intermap.com/)
• SPOT (http://www.spot.com/)
• FUGRO (http://www.fugro.com/)
• … et de nombreuses sociétés d'arpentage privées

Données d'organisation

Une troisième source de données d'altitude possible consiste à les développer dans votre propre organisation. Ces données peuvent être générées en interne à l'aide de fonctionnalités internes telles que des équipes d'arpentage du sol ou d'autres technologies, la technique de photogrammétrie ou lidar par exemple. L'organisation peut également acquérir les données via un contrat personnalisé.

Types de systèmes sources de données

En plus de répondre à la question " Comment l'organisation peut-elle obtenir des données d'altitude ? ", le gestionnaire de données doit également connaître les types de systèmes ou de technologies de détection fournissant des données d'altitude. La présentation détaillée des technologies n'est pas proposée ici mais les organisations qui utilisent des données d'altitude doivent connaître quelques notions de base sur les technologies de cartographie du terrain actuelles utilisées par les plates-formes aériennes ou satellites (photogrammétrie, radar et lidar par exemple).

Photogrammétrie

Une introduction à la photogrammétrie est disponible à l'adresse www.geodetic.com. Parmi les concepts clés qu'un gestionnaire de données doit connaître sur la photogrammétrie, citons :

• La photogrammétrie permet de générer un modèle d'altitude pour la zone couverte par la photographie aérienne stéréo.
• Les données d'altitude (si disponible) servent également d'entrée au processus photogrammétrique afin de corriger les données d'image.
• Dans les zones forestières denses, où l'imagerie ne permet pas d'observer le sol nu, le modèle d'altitude obtenu peut représenter la partie supérieure du couvert forestier (DSM), ou le DEM de terre nue peut représenter une surface approximative uniquement.

Lidar aéroporté

Une introduction à lidar est disponible à l'adresse http://en.wikipedia.org/wiki/LIDAR.

Parmi les concepts clés qu'un gestionnaire de données doit connaître sur les données lidar, citons :

• Les données lidar peuvent être collectées auprès de diverses plates-formes (satellites, aéroportées, terrestres mobiles ou stationnaires).
  • Les données lidar aéroportées sont les données les plus fréquemment utilisées dans la cartographie topographique.
  • Les systèmes lidar terrestres sont de plus en plus utilisés pour acquérir des points de données 3D de villes, bâtiments (extérieur et intérieur) et d'autres structures. (Les données lidar terrestres ne s'appliquent généralement pas dans le cadre de ce workflow d'altitude mais ceci est susceptible d'évoluer dans le temps.)
  • Des systèmes lidar spécialisés peuvent également être utilisés dans la cartographie bathymétrique (voir ci-dessous).
• Les données lidar sont, à l'origine, des données 3D non quadrillées, stockées sous la forme d'un nuage de points. Elles sont généralement traitées afin de créer des surfaces raster (DEM ou DSM).
• Lidar est un système de détection actif (son fonctionnement ne dépend pas de la lumière du soleil). De nombreux systèmes lidar modernes incluent toutefois un système de caméra numérique.
• Lidar est probablement la technologie d'acquisition de données d'altitude DSM et DEM la plus aboutie. Même si le signal lidar ne peut pas pénétrer le couvert forestier, la haute résolution du laser d'analyse peut traverser des espaces réguliers dans le couvert forestier pour proposer une représentation relativement appropriée du DEM de terre nue.
• Pour en savoir plus sur la conversion de données lidar en surfaces d'altitude dans ArcGIS 10.0, reportez-vous au blog : Solutions lidar dans ArcGIS, partie 2 : Création de MNT et de DSM raster à partir de vastes collections de points lidar.
• Une description complète des outils et applications lidar dans ArcGIS 10.0 est disponible dans la présentation Solutions lidar dans ArcGIS.
• Un livre blanc détaillé sur l'analyse lidar dans ArcGIS 10 pour les applications forestières, Lidar Analysis in ArcGIS 10 for Forestry Applications.

Radar et radargrammétrie

Une introduction à la cartographie de terrain radar est disponible à l'adresse http://www.intermap.com.

Parmi les concepts clés qu'un gestionnaire de données doit connaître sur la cartographie de terrain radar, citons :

• Les systèmes de cartographie radar sont actifs (ils ne dépendent pas de la lumière du soleil contrairement à la photographie aérienne) et leurs longueurs d'ondes peuvent traverser les nuages. Le radar est donc particulièrement performant dans les climats tropicaux et pour une utilisation prolongée (tôt le matin, tard le soir et même de nuit).
• Les longueurs d'ondes du radar génèrent des restrictions. Par exemple, les précisions horizontale et verticale sont généralement mesurées en mètres ou en décimètres, contrairement à l'utilisation de centimètres dans un système optique tel que lidar.
• Selon la longueur d'onde, certains systèmes radar pénètrent partiellement la végétation (mais de manière moins précise) contrairement à d'autres systèmes qui, malgré une précision supérieure, ne parviennent pas à pénétrer la végétation (générant ainsi un modèle de surface numérique mais ne parvenant que difficilement à créer un modèle numérique de terrain dans les zones forestières denses).
• Les données radar brutes requièrent un traitement spécifique pour générer des données d'altitude non disponibles dans ArcGIS.

données sonar,

Pour la cartographie bathymétrique de la géométrie souterraine des lacs ou des océans, la technologie classique est le sonar. Reportez-vous à http://en.wikipedia.org/wiki/Bathymetry pour obtenir des informations d'arrière-plan.

Parmi les concepts clés qu'un gestionnaire de données doit connaître sur la cartographie de terrain à l'aide d'un sonar, citons :

• La résolution horizontale et la précision verticale des systèmes sonar sont inférieures aux études terrestres équivalentes.
• Une discontinuité est généralement constatée le long du rivage entre la fin des données bathymétriques et le début des jeux de données d'altitude. Cette région de marée/rivage peut nécessiter un traitement spécial afin d'éviter les discontinuités NoData.

Un lidar aéroporté peut également être utilisé dans la cartographie bathymétrique. Reportez-vous à http://gcmd.nasa.gov/records/GCMD_USACE_SHOALS.html.

Structure de données

Données à virgule flottante et de type entier

Les données d'altitude sont basées sur des échantillons de points et une interpolation est généralement nécessaire pour estimer les zones d'altitude sans échantillons. Les valeurs d'altitude sont généralement stockées au format à virgule flottante, même si certaines données à petite échelle (SRTM par exemple) sont stockées au format de type entier. Le gestionnaire de données doit connaître les types de données.

Dans la plupart des cas, les résultats des produits d'analyse ou de virtualisation peuvent être générés sous forme d'images de type entier, alors que les utilisateurs et applications utilisant des valeurs de données d'altitude ont besoin de données à virgule flottante. (Reportez-vous aux descriptions de la Partie 2 pour plus d'informations.)

L'utilisation de données de type entier (le cas échéant) présente les avantages suivants :

• Volume de données réduit (8 ou 16 bits par échantillon contre 32 pour les données à virgule flottante)
• Compression simplifiée (traitement plus rapide, avec un rapport de compression supérieur)

Notez toutefois que l'utilisation de valeurs d'altitude de type entier peut entraîner l'apparition de gradins (terrasses) dans certains produits (un ombrage par exemple) due à l'arrondi. L'exemple ci-dessous illustre une région représentée par des données SRTM avec l'apparition de terrasses dans un produit ombré.

Certaines données sont présentées sous forme de tuiles. Si vous êtes en mesure de contrôler les tuiles de données, il convient de laisser au moins une superposition de 1 pixel entre les tuiles.

Formats types

Le format de stockage et de présentation le plus performant de l'altitude raster recommandé par Esri consiste à utiliser le format flottant TIFF 32 bits tuilé avec une compression LZW. Ce format est le plus simple à utiliser et à gérer et offre les meilleures performances. Parmi les autres formats que vous pouvez rencontrer, citons :

• ESRI GRID : ancien format qui n'est plus recommandé pour stocker des données d'altitude. Le gestionnaire de données doit convertir ces données en TIFF afin d'optimiser les performances dans un environnement serveur.
• FLT : format simple binaire à virgule flottante ; similaire aux fichiers TIFF à virgule flottante 32 bits mais sans en-tête. Il ne s'agit pas d'un format tuilé et il n'est recommandé que pour les faibles étendues.
• ASCII DEM : fichier de données simples ASCII pouvant être une structure raster régulière ou des données maillées irrégulières. Dans ce dernier, le fichier répertorie explicitement les valeurs x,y,z. Il n'est pas fiable pour le stockage, la lecture et l'écriture, mais il s'agit d'un format de stockage universel. Il est vivement recommandé de convertir ces données en TIFF afin d'améliorer les performances.
• IMG de ERDAS : les données d'altitude peuvent être stockées au format IMG qui est pris en charge par ArcGIS.
• BAG (Bathymetry Attributed Grid) : ce format est utilisé pour les données bathymétriques et est pris en charge partiellement dans ArcGIS 10. Le logiciel lit correctement les données d'altitude raster mais ne prend pas totalement en charge tous les composants du format (les points intangibles par exemple). Pour plus d'informations sur la spécification du format, reportez-vous à http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/bathymetry/noshdb/ons_fsd.pdf.
• DTED (Digital Terrain Elevation Data) : il s'agit d'une spécification de format contenant des aspects spécifiques sur la résolution et la précision des données d'altitude, définie par la NGA (National Geospatial Intelligence Agency). Les données au format DTED sont généralement exécutées de manière appropriée et une conversion n'est donc pas nécessaire. Reportez-vous aux informations relatives au format à l'adresse https://www1.nga.mil/ProductsServices/TopographicalTerrestrial/DigitalTerrainElevationData/Pages/default.aspx.
• Jeu de données de MNT d'Esri : un jeu de données de MNT représente une surface de TIN multi-résolutions créée à partir de mesures stockées en tant qu'entités dans une géodatabase. Il est généralement constitué à partir de sources lidar, sonar et photogrammétriques. Les MNT résident dans la géodatabase, à l'intérieur de jeux de données d'entité où sont stockées les entités destinées à leur génération. Ces données doivent être converties en un jeu de données raster. Le format TIFF est alors recommandé. Pour plus d'informations, reportez-vous à la rubrique Qu'est-ce qu'un jeu de données de MNT ?.

Remarque :

ArcGIS 10.1 prend directement en charge les données d'altitude de fichiers LAS et des jeux de données de MNT (la conversion au format raster est donc inutile).

Données d'altitude irrégulières

Ce document est ciblé sur les données d'altitude stockées au format raster (grille) ; ce format est généralement nécessaire aux utilisateurs finals des données d'altitude. Les gestionnaires de données doivent toutefois connaître les données stockées dans des formats irréguliers. Un exemple est un réseau triangulé irrégulier (Triangulated Irregular Network/TIN). Ce format irrégulier permet généralement de stocker des données d'altitude, tout particulièrement dans le cas d'une organisation qui collecte et gère ses propres données d'altitude car elle détient toujours les données d'origine (des échantillons de points d'altitude précis en 3D par exemple). Un autre format est un jeu de données de MNT (décrit ci-dessus). Celui-ci peut être visualisé sous la forme d'un TIN. Pour plus d'informations, reportez-vous à la rubrique Affichage des jeux de données de MNT dans ArcGIS.