L’hydrologie avec un SIG, pour les nuls (que nous sommes): calcul de l’écoulement (3)

Dans les deux articles précédents (L’hydrologie avec un SIG, pour les nuls (que nous sommes): calcul de l’écoulement (1) et L’hydrologie avec un SIG, pour les nuls (que nous sommes): calcul de l’écoulement (2)) on a abordé trois méthodes de calcul du flux d’écoulement: deux méthodes unidimensionnelles (D8 et Rho8) et une méthode bidimensionnelle (MFD).

Maintenant on va voir une variation de la méthode la plus répandue (D8) et que nous avons abordé en premier.

Quatrième méthode : Déterministe infinie (D∞)

La différence de cette méthode avec la méthode D8 est que le flux est réparti dans les deux cellules adjacentes les plus basses et pas seulement dans la cellule la plus basse. C’est une méthode bidimensionnelle.

Dans QGis vous utiliserez, dans la fenêtre de traitements-> SAGA -> Terrain analysis-Hydrology -> Catchment area (parallel)
fenêtre pour la méthode déterministe infinie

Le résultat du calcul de l’écoulement avec cette méthode, sur le MNT constitué d’une semi-sphère, est le suivant:
calcul de l'écoulement avec la méthode déterministe infinie

Si nous le comparons avec le résultat de la méthode D8:
résultat du calcul d'écoulement avec la méthode D8

On peut observer que, si bien le défaut de la surreprésentation dans les 8 directions (0,45,90,…) est toujours très marqué, les différences sont estompées.

Le rapport entre les cellules avec moins de surface par rapport à celles qui ont beaucoup de surface est de 1 à 700 dans le cas de la méthode D8, et seulement de 1 à 22 dans le cas de la méthode Déterministe infinie.

Cinquième méthode : algorithme de routage cinématique (KRA)

On peut citer ici la méthode KRA: l’algorithme de routage cinématique. Cet algorithme d’écoulement de flux est unidimensionnel. L’écoulement se comporte comme une balle qui roulerait sur le MNT, sans restreindre sa position au centre des cellules. Le résultat de cette méthode est intermédiaire par rapport aux deux précédentes. Le rapport entre les cellules avec moins de surface par rapport à celles qui ont beaucoup de surface est de 1 à 45.

résultat du calcul de l'écoulement avec la méthode kra

On verra rapidement les méthodes restantes, car elles n’apportent pas beaucoup par rapport à celles déjà abordées.

Sixième méthode:Braunschweiger Digitales Reliefmodell

C’est une méthode multidimensionnelle. Elle s’apparente à la méthode MFD.
Elle est disponible dans QGis dans Fenêtre de traitements-> SAGA -> Terrain analysis-Hydrology -> Catchment area (parallel)
Le résultat du calcul est le suivant:
résultat de la méthode Braunschweiger Digitales Reliefmodell
Celui-ci est à comparer avec le résultat de la méthode MFD:
résultat du calcul avec la méthode MFD

Le résultat apparaît nettement meilleur que ceux produits par les méthodes unidimensionnelles, mais par rapport à la méthode MFD on voit bien un certain biais radial.

Septième méthode : DEMON (Digital Elevation Model Network)

C’est une méthode bidimensionnelle, mais assez compliquée. Elle se base sur la création d’une matrice de bassin versant amont et aval pour chaque pixel. Impossible de l’expliquer ici. Si vous êtes intéressé, mieux vaut aller à la source (Costa-Cabral, M. C.; Burges,S. J. Digital elevation model networks (DEMON): A model of flow over hillslopes for computation of contributing and dispersal areas. Wat. Resour. Res. 30: 1681–92. (1994))
Retenez une chose, il lui faut beaucoup de temps pour calculer. Sur notre exemple, qui est très simple, il lui faut environ 8 minutes pour calculer le résultat. Alors avec des vrais MNT …
Dans QGis elle est disponible dans QGis dans Fenêtre de traitements-> SAGA -> Terrain analysis-Hydrology -> Catchment area (flow tracing)
Voici le résultat obtenu:

résultat de la méthode DEMON de calcul de l'écoulement

Ce résultat est très proche de la méthode Déterministe infinie (voir en début de cet article), ce qui est normal car les deux sont des méthodes bidimensionnelles.

Nous avons fait le tour des principales méthodes de calcul de l’écoulement. Reste à voir un peu plus en détail les problèmes posés par les principales méthodes. C’est ce que nous aborderons dans le prochain et dernier article sur le sujet

L’hydrologie avec un SIG, pour les nuls (que nous sommes): calcul de l’écoulement (2)

Cet article fait suite directe de l’article L’hydrologie avec un SIG, pour les nuls (que nous sommes): calcul de l’écoulement(1)

Nous allons voir maintenant le résultat de l’application d’une autre méthode de calcul d’écoulement.

Deuxième méthode : Rho8

Elle est une modification de la méthode précédente. C’est toujours un flux unidimensionnel: toute l’eau de la cellule passe vers une et une seule autre cellule. Si dans la méthode D8, le flux est calculé selon la pente la plus importante entre la cellule considérée et ses 8 cellules contiguës, dans la méthode Rho8 on va introduire un facteur aléatoire, calculé à partir de l’orientation de la cellule centrale et de la direction des deux cellules contiguës qui se situent dans cette direction.

Dans QGis vous utiliserez, dans la fenêtre de traitements-> SAGA -> Terrain analysis-Hydrology -> Catchment area (parallel)
méthode Rho8 pour le calcul de l'écoulement
Le résultat de cette méthode sur le MNT en forme semi-sphérique, pour la couche « catchment area » est le suivant:
résultat de l'écoulement Rho8

Si vous comparez maintenant avec le résultat de la méthode D8:
résultat de la méthode de calcul de l'écoulement D8

Vous pouvez observer que la concentration sur les 8 directions principales (0,45,90,135,…) est nettement moins marquée. Par contre, étant donné que nous sommes sur un sphère parfaite, l’eau devrait s’écouler de manière homogène et non sous forme de « fils ».

Pour mieux comprendre ce commentaire, nous allons passer à une autre méthode de calcul.

Troisième méthode : Multiple Flow Direction (MFD) aussi dénommée FD8

Contrairement aux deux méthodes précédentes, l’écoulement à partir d’une cellule ne se fait pas en direction d’une et une seule cellule. Selon la pente du terrain, toutes les cellules situés plus bas que la cellule concernée recevront une partie de l’écoulement.

La figure suivante est tirée de la publication à l’origine de cette méthode.
écoulement multiple

Vous pouvez consulter cette publication directement :Quinn, P.F.; Beven, K.J.; Chevallier, P.; Planchon, O.; The prediction of hillslope flow paths for distributed hydrological modelling using digital terrain models, Hydrological Processes, 5: 59–79. 1991

Pour mettre en oeuvre cette méthode, avec QGis, vous utiliserez, la fenêtre de traitements-> SAGA -> Terrain analysis-Hydrology -> Catchment area (parallel)

fenêtre de traitement sage : MFD

Le résultat de cette méthode sur le MNT en forme semi-sphérique, pour la couche « catchment area » est le suivant:
résultat de l'écoulement calculé avec la méthode MFD (FD8)

Ici nous avons un écoulement globalement uniforme, sur une semi-sphère uniforme. Si on zoome, on s’aperçoit que la structure en 8 imprime un certain tramage. En effet, même si les flux sont multiples, il sont calculés de centre de la cellule centrale aux centres des cellules contiguës. La trame 0,45,90,… apparaît ici, mais quand on regarde au niveau du détail et disparait quand on regarde le phénomène de plus haut.

Dans le prochain article on abordera les autres méthodes de calculs restantes.

L’hydrologie avec un SIG, pour les nuls (que nous sommes): calcul de l’écoulement(1)

Une citation pour débuter l’article:
« De la même manière que le manuel d’un traitement de texte ne vous apprend pas à écrire une nouvelle ou un poème ou qu’un tutoriel de CAO ne vous montre pas comment calculer la taille d’une poutre pour un bâtiment, ce guide ne vous apprendra rien sur l’analyse spatiale. A la place, il vous montrera comment utiliser l’environnement des Traitements QGIS qui est un outil puissant pour réaliser des analyses spatiales. Il est de votre responsabilité d’apprendre les concepts qui seront indispensables à la compréhension de ce type d’analyses. Sans eux, vous n’arriverez pas à utiliser l’environnement et ses algorithmes même si vous pouvez être tenté de le faire. » (Documentation QGis)

Dans cette série d’articles, on ne va pas essayer de vous apprendre l’hydrologie. Nous allons juste ouvrir quelques portes qui restent, le plus souvent fermées. Si cela ne vous apprend pas l’hydrologie, au moins nous espérons glisser le doute sur ce que vous faites, doute qui vous permettra d’apprendre (si vous le souhaitez).

Dans les articles consacrés au calcul des bassins versants (ArcHydro : détermination des bassins versants d’un territoire (1), ArcHydro : détermination des bassins versants d’un territoire (2)) vous pourrez remarquer que la base de pratiquement tous les calculs que nous avons fait est la couche des directions d’écoulement (Flow direction)

Cette couche constitue l’élément clé de l’analyse hydrologique. De nombreuses alternatives existent, chacune d’elles ayant ses avantages et ses inconvénients. Les expliquer en détail prendrait trop de temps, et nous allons simplement présenter les idées qui sont intéressantes d’un point de vue pratique, afin que vous puissiez avoir une idée de la différence d’utiliser une méthode ou une autre.

Fondamentalement, les méthodes peuvent être divisés en deux groupes: celles qui considèrent le flux comme un déplacement entre les centres des cellules et celles dans lesquelles les flux se déplacent «librement» dans le MNT (algorithmes « Flow tracing »). Celles du premier groupe sont en relation avec la méthode D8 (la plus ancienne et la seule que vous trouverez dans ArcGis), tandis que celles du deuxième sont plus complexe et son utilisation est plutôt restreinte.

Une autre classification peut être faite séparant celles qui considèrent un flux unidimensionnel (communément appelés algorithmes de direction d’écoulement unique) et ceux qui considèrent un écoulement bidimensionnel (algorithmes de direction d’écoulement multiple). En d’autres termes, les premier considèrent que l’écoulement d’une cellule se fait sur une, et une seule, autre cellule, tandis que les deuxièmes considèrent que l’écoulement peut se faire sur plus d’une cellule contiguë de la cellule considérée.

Pour rester sur des logiciels connus, nous allons voir les différentes options proposées par QGis, sachant que sous ArcGis il n’y a pas de choix possible. D’autres méthodes peuvent être utilisées par des logiciels spécifiques au calcul hydrologique.

Avec QGis, vous avez les choix entre 8 méthodes de calcul de la direction d’écoulement:

  • Déterministe 8 (D8): La méthode classique, implémentée dans ArcGis. Le flux va du centre d’une cellule jusqu’au centre d’une (et seulement une) des cellules environnantes. Les directions de flux sont donc limitées à des multiples de 45 °, ce qui est la raison principale des inconvénients de la méthode. (O’Callaghan, J. F. y Mark D.M. The extraction of drainage networks from digital elevation data. Computer
    Vision, Graphics and Image Processing 28: 323–44. 1984
    ).
  • Rho8: Comme la précédente, mais avec une composante stochastique qui devrait améliorer les résultats. Le sens de circulation est déterminée par un argument aléatoire qui dépend de la différence entre l’orientation (« aspect ») et la direction des deux cellules voisines adjacentes. (Fairfield, J.; Leymarie P. Drainage networks from grid digital elevation models. Wat. Resour. Res. 27(5):709–717, 1991).
  • Déterministe infinie (D∞): Le flux passe d’une cellule à deux cellules environnantes contiguës, constituant ainsi un écoulement bidimensionnel, ce qui permet de résoudre les inconvénients de la méthode D8. (Tarboton, D.G.; Shankar, U. (1998), The Identification and Mapping of Flow Networks from DigitalElevation Data, Invited Presentation at AGU Fall Meeting, San Francisco, 1998).
  • Braunschweiger Digitales Reliefmodell: Un autre algorithme de direction de flux multiple. L’écoulement est divisé entre la cellule environnante dont l’orientation est la plus proche de l’orientation (« aspect ») de la cellule centrale et de ses deux cellules adjacentes. (Bauer, J.; Rohdenburg, H.; Bork, H.-R. Ein Digitales Reliefmodell als Vorraussetzung fuer ein deterministisches Modell der Wasser- und Stoff-Fluess, Landschaftsgenese und Landschaftsoekologie, H.10, Parameteraufbereitung fuer deterministische Gebiets-Wassermodelle, Grundlagenarbeiten zu Analyse von
    Agrar-Oekosystemen, (Eds.: Bork, H.-R.; Rohdenburg, H.), p.1–15, 1985).
  • FD8 : un algorithme de calcul d’itinéraire d’écoulement bidimensionnel dérivé du D8. (Quinn, P.F.; Beven, K.J.; Chevallier, P.; Planchon, O.; The prediction of hillslope flow paths for distributed hydrological modelling using digital terrain models, Hydrological Processes, 5: 59–79. 1991).
  • algorithme de routage cinématique (KRA). Un algorithme d’écoulement de flux unidimensionnel. L’écoulement se comporte comme une balle qui roulerait sur le MNT, sans restreindre sa position au centre des cellules. (Lea, N. L. An aspect driven kinematic routing algorithm. En Parsons, A. J.; Abrahams, A. D. Overland Flow: Hydraulics and Erosion Mechanics, New York, Chapman & Hill. 1992).
  • Réseau Modèle Numérique de Terrain (Network DEMON): Le plus complexe. Un algorithme de traçage de flux bidimensionnel. Très gourmand en temps de calcul (Costa-Cabral, M. C.; Burges,S. J. Digital elevation model networks (DEMON): A model of flow over hillslopes for computation of contributing and dispersal areas. Wat. Resour. Res. 30: 1681–92. (1994)).
  • Le meilleur moyen de les comparer c’est de les appliquer tour à tour sur le même terrain et voir le résultat du calcul du flux d’écoulement.

    Pour cela, nous allons utiliser QGis et son module de traitements. Pour beaucoup d’utlilisateurs de QGis, ce module est inconnu, car dans les versions précédentes il fallait l’activer pour qu’il soit accessible. A partir de la version 2.6 il est installé par défaut. Voilà comment y accéder.
    ouverture de la fenêtre traitements de QGis
    Et voilà comment ça se présente;
    fenêtre traitements de QGis

    Cette fenêtre permet de lancer des traitement extérieurs à QGis. Nous allons utiliser les traitements disponibles dans SAGA pour illustrer le calcul du flux d’écoulement.

    Pour mieux les comparer, au lieu de les appliquer à un terrain plus ou moins complexe, nous allons les appliquer à un MNT fictif correspondant à une semi-sphère.
    mnt fictif pourt tester les méthodes de calcul de l'écoulement

    Nous allons donc calculer les directions d’écoulement sur ce terrain. Afficher les directions de chaque cellule ne nous apporterait pas grand chose, par contre afficher le résultat de l’accumulation de flux est beaucoup plus parlant. Cette couche découle du calcul des directions d’écoulement et montre le nombre de cellules amont pour chaque cellule du raster.

    Si vous souhaitez faire vous-même les test, vous pouvez télécharger le mnt de test en cliquant ici.

    Première méthode : D8

    C’est la méthode utilisée par ArcGis et ArcHydro. Le flux est calculé selon la pente la plus importante entre la cellule considérée et ses 8 cellules contiguës.
    C’est donc un flux unidimensionnel: toute l’eau de la cellule passe vers une et une seule autre cellule.

    Dans QGis vous utiliserez, dans la fenêtre de traitements-> SAGA -> Terrain analysis-Hydrology -> Catchment area (parallel)

    commande de calcul pour la méthode D8

    Parmi les différentes couches résultat, celle qui nous intéresse c’est la couche « catchment area ». Voici le résultat pour cette méthode:

    flux d'écoulement calculé avec la méthode D8

    Etant donné que nous sommes sur une semi-sphère, le flux d’écoulement devrait être homogène. Par contre on voit bien que le fait de n’avoir que des options séparées par 45° (d’une cellule on ne peut que aller vers une des 8 directions correspondantes aux 8 cellules contiguës) introduit un biais en créant des zones d’accumulation forte dans ces directions (0°,45°,90°,…)

    Dans le prochain article nous verrons les résultats pour les autres méthodes de calcul.

    ArcHydro : détermination des bassins versants d’un territoire (2)

    Dans l’article précédent, ArcHydro : détermination des bassins versants d’un territoire (1), nous nous sommes arrêtés à la définition de notre réseau hydrographique. Nous allons terminer e processus en abordant les trois derniers points:

      4- Segmentation du réseau d’écoulement
      5- Détermination du bassin versant de chaque tronçon du réseau d’écoulement
      6- Fusion des bassins versants de chaque élément pour constituer des bassins versant de la taille souhaitée

    Segmentation du réseau d’écoulement

    Il ne faut pas oublier que nous sommes en train de travailler en mode raster. Chaque pixel (cellule) peut contenir une ou plusieurs valeurs, mais elles sont toutes « indépendantes ». Contrairement au réseau hydrographique de type vecteur, où nous avons des tronçons identifiés, ici rien ne nous permet de dire que deux pixels, mêmes contigus, appartiennent à un même tronçon hydrographique.

    L’étape de segmentation à laquelle nous allons procéder répond à ce besoin: la commande va chercher les pixels contigus entre deux nœuds hydrographiques.
    liens sur un bassin hydrographique
    Les nœuds considérés sont: les sources, les jonctions, les exutoires.
    Les pixels contigus entre deux nœuds auront le même identifiant de tronçon. Et chaque tronçon sera numéroté différemment.

    Pour créer ce réseau, nous utilisons la commande « Terrain Preprocessing » -> « Stream Segmentation »
    commande stream segmentation

    Visuellement, le raster résultant est identique au précédent. Pour voir la différence vous pouvez changer la symbologie en « Valeurs uniques ». Vous verrez alors les pixels appartenant à chaque tronçon avec la même couleur.

    Détermination du bassin versant de chaque tronçon du réseau d’écoulement

    Maintenant que nous avons construit les tronçons du réseau hydrographique nous allons déterminer les bassins versants de chaque tronçon, c’est à dire les cellule qui se déversent sur chacun des tronçons. Contrairement à notre notion classique de bassin versant qui prend en comte le ruissellement des berges di tronçon ainsi que les apports des tronçons en amont de celui qui est considéré, dans cette étape nous allons seulement prendre en compte le ruissellement direct sur chaque tronçon, sans tenir compte des apports qui peuvent arriver par les biais des affluents du tronçon.

    Pour cela nous utiliserons la commande « Terrain Preprocessing » -> « Catchment Grid delineation »
    catchment delineation
    Les entrées sont le raster avec les directions d’écoulement et le raster avec les tronçons hydrographiques.
    La sortie sont les bassins versants de chaque tronçon.
    bassins versants individuels des tronçons hydrographiques

    Maintenant, nous souhaitons voir les bassins versants tels que nous les connaissons, pas tronçon par tronçon, mais bien par cours d’eau principal. C’est ce que nous allons faire dans la prochaine étape.

    Fusion des bassins versants de chaque élément pour constituer des bassins versant de la taille souhaitée

    Pour continuer dans cette étape, nous allons quitter le monde raster pour rejoindre le monde vecteur. Même s’il y a moyen de faire ce que nous souhaitons avec des rasters, il est beaucoup plus simple de travailler en mode vecteur.
    Nous allons donc convertir en vecteur les bassins versants des tronçons et le réseau de tronçons.
    Pour convertir les bassins versants des tronçons, nous utilisons la commande « Terrain Preprocessing » -> « Catchment Polygon Processing »
    bassins versants des tronçons sous forme de polygones

    Pour convertir le réseau de tronçons en polylignes, nous utilisons la commande « Terrain Preprocessing » -> « Drainage Lines Processing »
    réseau hydrographique vecteur

    Vous pouvez voir que les propriétés de chaque tronçon permettent de savoir les nœuds qui le limitent ainsi que le tronçon aval suivant.

    Nous allons maintenant calculer les bassins contigus avec la fonction « Adjoint Catchment Processing ».

    Cette fonction génère le bassin versant agrégé, cumulé et contigu en amont de chaque bassin de tronçon hydrographique. Pour chaque bassin versant généré, le polygone construit délimite toute la zone contigüe amont du tronçon. Si Deux tronçons confluent vers le tronçon en question, le polygone entoure les trois bassins de tronçons. Puis, on cherche quels bassins de tronçons sont contigus à ce polygone et on en génère un nouveau bassin versant contigu. On effectue ce processus jusqu’à ne plus avoir de bassins de tronçons qui s’écoulent vers le bassin versant généré.

    Pour exécuter cette commande on utilise « Terrain Preprocessing » -> « Adjoint Catchment Processing ».

    Les entrés sont les lignes d’écoulement (« DrainageLine ») et la couche de polygones bassins versants (« Catchment”). Le résultat est stocké dans une nouvelle couche vectorielle de type polygone (« AdjointCatchment ») que vous pouvez renommer.

    agrégation des bassin versants

    Cette couche nous permettra de réaliser toute une série de calculs intéressants, mais la commande a aussi ajouté une champ attribut dans la table de « Catchment » avec l’identifiant du bassin aval et un autre champ attributaire dans la table de DrainageLine avec l’identifiant du bassin versant du tronçon.

    ArcHydro : détermination des bassins versants d’un territoire (1)

    Nous allons utiliser ArcHydro pour calculer les différents bassins versants d’un territoire. Il est important de connaître les différentes étapes pour arriver au résultat, mais aussi de savoir sur quelles hypothèses on se base. En effet, les hypothèses utilisées par ArcHydro ne sont pas les seules existantes pour faire ce travail, par contre elles sont les seules disponibles dans le cadre d’ArcGis.

    La détermination des bassins versants se fait en suivant les étapes:

      1- Détermination de la direction d’écoulement
      2- Détermination de l’accumulation d’écoulement
      3- Détermination du réseau d’écoulement
      4- Segmentation du réseau d’écoulement
      5- Détermination du bassin versant de chaque tronçon du réseau d’écoulement
      6- Fusion des bassins versants de chaque élément pour constituer des bassins versant de la taille souhaitée.

    1- Détermination de la direction d’écoulement

    Chaque cellule du MNT est entourée par 8 autres cellules.
    directions d'écoulement
    Le principe d’ArcHydro est d’établir vers quelle cellule s’écoule l’eau, à partir de la cellule centrale. Pour cela il calcule la pente entre la cellule centrale et les 8 cellules environnantes. Il considère que l’eau s’écoule vers la cellule qui a la pente la plus forte.
    Cette hypothèse est une des bases d’ArcHydro, mais elle n’est pas universelle. D’autres algorithmes (non disponibles avec ArcGis) considèrent que, bien qu’il y ait un écoulement plus important vers la cellule avec plus forte pente, il y aura un écoulement vers toutes les cellules plus basses que la cellule centrale.

    Pour suivre le processus nous allons utiliser le MNT corrigé lors des articles précédents (ArcHydro : 2- Préparer un MNT corrigé pour l’hydrologie – 1ère partie et ArcHydro : Préparer un MNT corrigé pour l’hydrologie – 2ème partie).

    Pour calculer la direction d’écoulement cliquez sur « Terrain Preprocessing »-> « Flow direction »
    calcul de la direction d'ecoulement
    Le résultat montre les différentes directions d’écoulement calculées à partir du MNT.
    carte des directions d'écoulement

    2- Détermination de l’accumulation d’écoulement

    La deuxième étape consiste à calculer combien de cellules s’écoulent, en amont, vers chacune des cellules du MNT.
    calcul de l'accumulation d'écoulement

    Quand aucune cellule s’écoule vers la cellule considérée, la valeur est de 0. Quand plusieurs cellules s’écoulent vers la cellule considérée, la valeur est égale à la somme de valeurs d’écoulement de ces cellules.

    Pour calculer la direction d’écoulement cliquez sur « Terrain Preprocessing »-> « Flow accumulation »
    Les seuls champs à renseigner sont le raster en entrée (Flow direction) et le nom du raster en sortie.

    Le résultat se présente comme suit:

    carte de l'accumulation d'écoulement

    3- Détermination du réseau d’écoulement

    Pourquoi réseau d’écoulement et pas réseau hydrographique? Le réseau hydrographique répertorie les « cours d’eau ». La qualification de cours d’eau repose essentiellement sur les deux critères suivants :

  • la présence et la permanence d’un lit naturel à l’origine, distinguant ainsi un cours d’eau d’un canal ou d’un fossé creusé par la main de l’homme;
  • la permanence d’un débit suffisant une majeure partie de l’année.
  • Dans notre cas, on ne tiendra pas compte de ces critères. Nous allons construire un réseau seulement à partir des données d’accumulation. On construit un réseau à partir d’un seuil d’accumulation, par exemple 150. Ceci revient à dire que, du moment où l’accumulation atteint 150 cellules, on considère que l’on est sur un tronçon de notre réseau hydrographique. Ceci est complètement indépendant du fait que cette cellule se trouve ou non sur le tracé d’un cours d’eau « officiel ». Il est clair qu’à partir d’un certain seuil, on se trouvera forcément sur les cours d’eau « officiels ».

    La définition du seuil ne répond à aucune règle absolue. Il dépend de l’objectif de l’étude, de la taille de votre zone d’étude, du type de terrain, bref, de beaucoup de paramètres. Ceci dit, ça ne vous avance pas beaucoup. Alors, comment trouver la bonne valeur?

    Dites vous que vous allez, à la fin du traitement, obtenir une photographie de l’ensemble de votre territoire. La valeur que vous allez choisir ici, pour créer votre réseau hydrographique, s’apparente au grain de votre photo. C’est la taille la plus petite pour laquelle vous pourrez avoir une information. En fonction de votre objectif, et sachant que plus vous ajoutez de la définition à votre photo, plus long et compliqué est le processus, vous devez trouver un bon compromis. Il est inutile d’ajouter de la définition très fine si vous ne recherchez qu’une vue globale, et il serait malvenue de choisir un gros grain si vos objectifs sont des études de détail de votre territoire.

    Pour calculer le réseau d’écoulement cliquez sur « Terrain Preprocessing »-> « Stream definition ». La fenêtre de définition s’ouvre:

    construction du réseau d'écoulement

    Vous pouvez rentrer soit le nombre de cellules d’accumulation, soit la surface moyenne de bassin versant à partir desquelles on considère qu’il y a « cours d’eau ». Ce qui est très utile c’est que, dès que vous rentrez une des deux valeurs, ArcHydro calcule automatiquement l’autre.

    Pour notre exemple, nous rentrons 150 cellules, ce qui correspond à un bassin versant d’environ 0,84 km².

    Le résultat de la commande est le suivant:
    carte du réseau hydrographique calculé

    Dans le prochain article on utilisera ce réseau calculé pour obtenir les bassins versants.

    Affichage des cartes marines S57 dans QGis

    Les sources d’information pour les territoires littoraux ne se limitent pas aux sources classiques terrestres. Les cartes marines peuvent apporter des informations très utiles et, du point de vue du rendu, permettent de produire des documents riches et impactants. Continuer la lecture de « Affichage des cartes marines S57 dans QGis »

    ArcHydro : Préparer un MNT corrigé pour l’hydrologie – 2ème partie

    Nous avons vu dans l’article précédent,ArcHydro : Préparer un MNT corrigé pour l’hydrologie – 1ère partie, comment éliminer les dômes provoqués essentiellement par la végétation.
    Nous allons maintenant effectuer deux opérations:

  • prendre en compte des surfaces d’eau (lacs, étangs)
  • imprimer le réseau hydrologique connu sur le MNT
  • Puis, en dernière opération de préparation du MNT nous allons combler les cuvettes existantes dans notre MNT.

    Prise en compte des surfaces d’eau

    Le but de cette étape est de permettre au MNT d’avoir des surfaces lisses pour représenter les surfaces occupées par les lacs et les étangs. Pour cela il nous faut une couche vectorielle de polygones correspondants aux lacs. ArcHydro croisera cette couche vectorielle avec le MNT et, pour les cellules correspondantes, il affectera une valeur constante d’élévation.
    Quelle valeur?
    Deux possibilités:
    – vous indiquez la valeur d’élévation dans un champ attribut de la table
    – ArcHydro cherche la valeur minimale d’élévation sur les cellules qui constituent le bord du lac et affecte cette valeur (éventuellement avec un offset)
    table attributaire des surfaces d'eau
    Pour lancer le processus, cliquez sur « Terrain Preprocessing »-> »DEM Manipulation » -> « Level DEM »
    commande Level DEM
    La fenêtre permet de configurer la sortie et la façon d’affecter une valeur unique à la surface de chaque lac.
    configuration de Level DEM

    Impression du réseau hydrologique sur le MNT

    Bien sûr, on peut utiliser le MNT pour calculer les cours d’eau. Mais si on dispose d’une couche vectorielle des cours d’eau, on peut corriger les cellules proches de ceux-ci. Les corrections comprennent le biais de pente introduit par la végétation des rives, mais aussi assurent que le point le plus bas des deux berges se retrouve sur la cellule correspondante au cours d’eau.

    Pour imprimer le réseau hydrologique nous utilisons la commande « Terrain Preprocesing » -> « DEM Manipulation » -> « DEM Reconditioning ».

    menu dem reconditioning
    En plus des trois premiers champs (mnt en entrée, couche linéaire de cours d’eau, mnt en sortie) il y a trois paramètres que vous devez configurer. Pour cela vous devez avoir une connaissance de la zone.
    Le premier « Stream Buffer » et la largeur de la zone à « creuser » dans le mnt, de part et d’autre de la ligne de cours d’eau. Selon la taille de cellule du MNT, vous devez définir l’empreinte à faire pour chaque cours d’eau. Dans notre exemple, la maille du MNT est de 75m. En entrant une valeur de 2 nous provoquons une empreinte de 150m de part et d’autre du cours d’eau (la terrasse alluviale).
    Le deuxième « Smooth raise/drop » correspond au dénivellement, en mètres, de la terrasse alluviale ; différence de hauteur entre la cellule immédiatement à l’extérieur du « Stream Buffer » et le bord du cours d’eau. Dans notre exemple nous indiquons 5 mètres.
    Le dernier « Sharp raise/drop » est la profondeur moyenne du cours d’eau, c’est à dire la cellule directement en dessous de la ligne de la couche « cours d’eau ». Nous indiquons ici 2mètres.
    Une fois exécutée la commande pouvez utiliser le bouton « profil » de la barre d’outils 3D Analyste pour voir l’effet produit.
    profil d'un cours d'eau après DEM Reconditioning
    Sur le profil de gauche vous voyez la couper AVANT la commande. Sur le profil de droite vous voyez la même coupe APRES l’exécution de la commande.

    Remplissage des cuvettes

    La dernière étape pour obtenir un MNT hydrologiquement correct est de remplir les cuvettes existantes, soit dans le MNT d’origine, soit créées pendant les différentes étapes du pré-traitement. Les cuvettes sont des zones entourées par des cellules plus hautes et qui vont bloquer les directions d’écoulement.

    Pour les remplir nous utilisons la commande « Fill sinks » (Terrain Preprocessing -> DEM Manipulation -> Fill Sinks). Le seul élément à bien observer c’est de cocher la case Fill All, pour que toutes les cuvettes soient repérées et remplies.

    L’image suivante montre l’effet du remplissage sur une cuvette du MNT.
    profil de remplissage d'une cuvette

    Le résultat c’est un MNT Hydroloigiquemenbt correct:
    mnt corrigé hydrologiquement correct

    Nous allons utiliser ce MNT pour voir les différents calculs possibles sur le réseau hydrologique d’un territoire.

    Pour commencer, dans le prochain article, nous verrons comment calculer les bassins versants des cours d’eau.

    Editer des données OpenStreetMap avec ArcGis

    La boîte à outils « ArcGIS Editor pour OpenStreetMap » vous permet d’utiliser les outils d’ArcGIS pour travailler sur les données OpenStreetMap. Cet ensemble d’outils pour ArcGIS 10.X vous permet de charger les données de OpenStreetMap et de les stocker dans une géodatabase. Vous pouvez ensuite utiliser l’environnement d’édition d’ArcGIS Desktop pour créer, modifier, faire une analyse de réseau, ou mettre à jour les données. Une fois l’édition terminée , vous pouvez poster les changements sur OSM pour les rendre disponibles à tous les utilisateurs de l’OSM.

    Il existe deux installations dans le téléchargement.

  • La première est compatible avec ArcGIS 10.2 classique
  • La deuxième est compatible avec ArcGIS 10.2 avec le géoprocesseur 64 bits installé.
  • Selon votre installatiion vous devez choisir la version de l’installeur correspondante.

    Il n’y a pas encore de version compatible avec ArcGis 10.3
    Cliquez sur ce lien pour télécharger la version pour ArcGis 10.2
    Cliquez sur ce lien pour télécharger la version pour ArcGis 10.1
    Cliquez ici pour télécharger la version pour ArcGis 10.0. Dans ce cas il n’y a pas de version pour le géoprocesseur 64 bits.

    Après l’installation, lancez ArcMap et vous devriez voir installé dans la fenêtre ArcToolBox la boîtes à outils ‘OpenStreetMap Toolbox ».
    Pour une explication détaillée du mode d’emploi vous pouvez consulter la documentation ici.

    Ici nous verrons un exemple d’utilisation et quelques mises en garde.

    Tout d’abord il faut bien comprendre qu’il ne s’agît pas ici de visualiser les données OpenStreetMap directement dans ArcMap. Nous avons abordé ce sujet dans l’article ArcBruTile :Afficher Google Maps, Bing Maps, OpenstreetMaps et plus, en fond de carte dans ArcMap. Il s’agit de télécharger les données OSM et de les intégrer dans une géodatabase ArcGis pour pouvoir travailler dessus avec tous les outils d’analyse et de mise à jour disponibles.

    Il ya deux façons de télécharger des données à partir de l’OSM, chacun résultant en un format différent sur votre poste de travail.

  • L’outil Download OSM Data (XAPI) télécharge les données OpenStreetMap et les enregistre en tant que fichier .osm (connu comme un fichier ‘planète’). Pour utiliser le fichier .osm dans ArcMap, vous devez ensuite exécuter l’outil ‘Load OSM Fichier’ pour traduire ce format vers une géodatabase.
  • L’outil Download and Symbolize OSM Data télécharge les données de l’OSM dans un jeu de données de géodatabase, prêt à l’emploi dans ArcMap et affecte une symbologie « OSM » à chaque élément de données.
  • C’est ce deuxième cas que nous allons voir ici.

    Utilisation de l’outil Download, Extract and Symbolize OSM data

    OpenStreetMap a des limites sur la quantité de données que vous pouvez télécharger à la fois. Le nombre maximum de nœuds que vous pouvez télécharger avec cet outil est de 50000. Notre exemple se situe sur la Ville du Conquet (3000 habitants) et représente 25000 nœuds. Alors oubliez de télécharger Paris, Marseille ou Lyon en un seul coup!
    Deuxième mise en garde: armez vous d’une patience digne d’ArcGis. Le remplissage de la fenêtre de paramètres se fait avec des allées-retour sur OSM à chaque modification d’un paramètre et vous pouvez finir par vous énerver.
    Mais ce n’est rien à côté de ce qui se passe une fois que vous avez lancé l’outil. Avec une connexion fibre, le téléchargement des données du Conquet que nous verrons par la suite, a pris 38 minutes. A lancer donc avant de prendre sa pause café…ou déjeuner!

    1- Ajouter une carte de base ou de référence, de sorte à pouvoir définir votre zone d’intérêt dans l’interface ArcMap.
    2- Une fois trouvée votre zone d’intérêt, zoomer à un niveau où vous pourrez facilement identifier les rues et les bâtiments.
    3- Vérifiez que vous avez coché la case «Ajouter les résultats du géotraitement à l’affichage » dans les Options de géotraitement (menu Géotraitement).
    4- Dans la fenêtre ArcToolBox, développez la boîte à outils OpenStreetMap.
    boîte à outils Openstreetmap dans arctoolbox
    5-Double-cliquez sur Download, Extract and Symbolize OSM data. Ce modèle vous permet de télécharger les données, éventuellement extraire des balises spécifiques, et de le préparer pour l’environnement d’édition en une seule étape, en utilisant des modèles de scripts supplémentaires (par exemple, symboliser Points, symboliser Lines, symboliser Polygones, et symboliser données OSM ).
    Entrez les paramètres du modèle comme indiqué ci-dessous:
    paramétrage de la boite à outils telechargement openstreetmap
    – Dans l’étendue du téléchargement de données’, sélectionnez « Idem Display’.
    – Nous souhaitons télécharger les valeurs de variables (voir http://wiki.openstreetmap.org/wiki/Tags) dans la table attributaire, nous sélectionnons donc l’option « Extraire OSM tags dans Standalone Attributs ».
    – Dans la ‘cible Feature Dataset « , indiquez l’emplacement de votre géodatabase , puis ajoutez le nom du nouveau jeu de données qui sera créé lorsque le modèle sera exécuté.
    -Dans la «couche OSM Group », vous pouvez laisser la valeur par défaut ou donner un nom différent.
    -Après avoir entré les paramètres, cliquez sur OK.

    Le modèle commence à s’exécuter. Une fois terminé, les données OpenStreetMap téléchargées seront ajoutés sous forme de couches entièrement symbolisés dans la trame de données.
    exemple de données openstreetmap dans arcmap

    ArcHydro : 2- Préparer un MNT corrigé pour l’hydrologie – 1ère partie

    Un Modèle Numérique de Terrain est une représentation des élévations d’un territoire. Chaque cellule (pixel) de ce MNT contient une valeur de hauteur. Selon le moyen de génération de cette surface et la taille définie pour les cellules, la hauteur affectée à la cellule est plus ou moins proche de l’exacte réalité.

    Si vous souhaitez utiliser le MNT pour une vue 3D du territoire (Avec ArcScene, par exemple), vous pouvez l’utiliser tel quel et sans précaution particulière. Par contre, si vous souhaitez modéliser l’écoulement de l’eau sur la surface de ce territoire, la première chose à faire, et la plus importante est de la corriger et de l’adapter à cet objectif.

    De ce que vous ferez durant cette étape, dépend la qualité des résultats obtenus en ce qui concerne les bassin versants et les différents calculs hydrologiques possibles.

    Une correction habituelle consiste à rechercher es cellules entourées par des cellules plus hautes. Ces cuvettes poseront un problème lors de la détermination des directions d’écoulement, car l’algorithme ne peut plus sortir de la cuvette. On procède alors, dans le prétraitement du MNT, au remplissage, de ces cuvettes jusqu’à trouver une cellule adjacente plus basse que la hauteur de remplissage. Cette cellule sera donc la cellule exutoire lors du calcul d’écoulement.
    remplissage d'une cuvette du MNT

    Par contre, il est extrêmement rare de trouver des références à un autre type de correction, tout aussi important,: les dômes.
    De plus en plus de MNT ont des moyens d’acquisition très fins. Les hauteurs acquises ne correspondent pas toujours au niveau du sol, mais souvent à la couche supérieure de la végétation. Une forêt avec des arbres d’une hauteur moyenne sera déterminée avec ce delta d’élévation.
    hauteurs du MNT non corrigé
    Sur cet exemple, tout à fait théorique, le MNT de base est représenté par le trait bleu, tandis que le niveau qu’il devrait avoir pour correspondre à la réalité est indiqué par le trait rouge.

    Si nous gardons ces dômes, ils modifieront artificiellement les écoulements de l’eau, surtout sur des zones plates ou à faible pente.

    Nous allons donc commencer par écrêter les dômes, en utilisant ArcHydro Tools et la calculatrice raster de Spatial Analyst.

    Comment enlever les dômes

    ArcHydro possède un outil qui comble les cuvettes. Nous allons l’utiliser pour enlever les dômes, qui sont en définitive des cuvettes inversées. Si nous prenons l’image précédente et que nous l’inversons, nous avons des cuvettes que nous pouvons remplir.
    inversion du mnt pour écréter les dômes

    Pour obtenir ceci, il suffit d’afficher le MNT dans ArcMap, vérifier que la symbologie est « étirée » (« stretched ») pour que dans la fenêtre de légende nous ayons la valeur Mini et Maxi du MNT.
    Nous allons travailler avec un MNT du Finistère (données srtm) et des couches hydrologiques du SANDRE. Si vous voulez suivre par vous mêmes le processus, vous pouvez télécharger ces fichiers sur notre site, en cliquant ici.
    mnt non corrigé
    On va prendre la valeur maxi et lui ajouter 25%. Dans notre exemple la valeur maxi du Mnt est de 200m, on va prendre donc la valeur 250.
    On va inverser le MNT en soustrayant 250 à chaque cellule du MNT. Pour cela on utilise la calculatrice raster de Spatial Analyst.
    inversion du mnt avec la calculatrice raster

    Le résultat se trouvera donc dans un nouveau raster MNT_A.
    mnt inversé
    Vous pouvez constater que, maintenant les valeurs vont de 257 (250 – (-7) ) à 50 (250 – 200) et que les zones basses sont devenues les zones hautes et vice-versa.

    Si on applique maintenant la commande de remplissage des cuvettes d’archydro, nous allons combler les dômes inversés.
    Pour cela, cliquez sur Terrain preprocessing-> DEM Manipulation -> Fill Sinks
    archydro Fill sinks
    La fenêtre de configuration de Fill sinks apparaît;
    options de fill sinks
    Laissez toutes les options par défaut, sauf le nom du raster résultant. Appelez-le MNT_A_Fill.
    mlnt écrêté avec fill sinks
    Ce raster contient le MNT d’origine SANS les dômes qui ont été remplis.
    Mais il est toujours inversé. Maintenant nous allons le retourner à l’endroit, avec la calculatrice raster
    remise à l'endroit du mnt avec la calculatrice raster
    Le résultat est notre nouvel MNT, sans dômes, et à l’endroit.
    mnt écrêté

    Jusque là, nous sommes occupés seulement des dômes, mais pas de véritables cuvettes qui se trouvent toujours dans notre MNT. On pourrait passer la commande Fill Sinks maintenant pour remplir ces véritables cuvettes, mais nous avons deux opérations à faire sur le MNT qui peuvent en générer. Il est plus simple de laisser cette opération de remplissage des cuvettes pour la fin du prétraitement.

    Dans prochain article nous allons faire cette deuxième partie.

    ArcHydro : modeliser les ressources hydriques d’un territoire : 1-Installation

    Présentation d’Arc Hydro

    Arc Hydro est un ensemble de modèles de données et d’outils qui fonctionnent sous ArcGIS pour prendre en charge les analyses de données surv les ressources hydriques superficielles.
    Vous pouvez utilisez Arc Hydro pour délimiter et caractériser les lignes de partage des eaux, définir et analyser le réseau hydrogéométrique, gérer les données chronologiques et exporter les données vers des modèles numériques.

    Arc Hydro se compose de deux éléments clés :

  • le modèle de données Arc Hydro ;
  • les outils Arc Hydro.
  • Ces deux composants structurent une base de données et un ensemble d’outils qui facilitent les analyses effectuées dans le domaine des ressources hydrologiques. Arc Hydro est destiné à fournir les fonctionnalités initiales qui peuvent ensuite être étendues par l’ajout de structures de base de données et de fonctions requises par une tâche ou une application spécifique.

    Les outils Arc Hydro fonctionnent dans l’environnement ArcGIS. Certaines des fonctions nécessitent l’extension Spatial Analyst. La majorité des outils sont accessibles via la barre d’outils Arc Hydro, où ils sont regroupés par fonctionnalité en six menus et neuf outils. D’autres outils ont été développés dans l’environnement de géotraitement et sont disponibles dans la boîte à outils Arc Hydro utilisables à la fois dans ArcMap et dans ArcCatalog.

    Les outils Arc Hydro ont deux objectifs principaux. Le premier est de manipuler (attribuer) des attributs clés dans le modèle de données Arc Hydro. Ces attributs constituent la base des analyses ultérieures. Ils comprennent les identifiants clés (tels que HydroID, DrainID, NextDownID, etc.) et les attributs de mesure (tels que LengthDown). Le second est de fournir certaines fonctionnalités de base souvent utilisées dans les applications de ressources hydrologiques. Cela inclut la délimitation des bassins versants basés sur le MNT, la génération de réseaux et le traçage basé sur les attributs.

    Pour télécharger la version 2.0 des modèles de données et des outils Arc Hydro, pour ArcGis 10.X
    http://downloads.esri.com/ArcHydro/ArcHydro/Setup/
    Le site propose les versions d’ArcHydro disponibles pour les versions 10.0,10.1,10.2.1 et 10.2.2, et même pour la 10.3.

    En cliquant sur la version d’ArcGis qui vous correspond, vous trouverez deux téléchargements possibles:

  • le premier est la version 32 bits
  • le deuxième avec x64 dans le nom est la version 64bits
  • Une fois le fichier téléchargé il suffit de double-cliquer sur celui-ci pour installer l’extension.
    L’extension comporte trois éléments:

  • une barre d’outils et
  • deux boîtes à outils
  • Nous allons aborder dans les prochains articles comment générer, pas à pas, les bassins versants d’un territoire avec ArcHydro.