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

Avant de commencer à utiliser un workflow pour gérer et diffuser des données altimétriques, vous devez comprendre auparavant de nombreux éléments concernant ces données. Ce workflow est divisé en trois parties. La première partie est une présentation des données altimétriques. La deuxième partie aborde le plan de gestion des données et les questions correspondantes à prendre en compte. La troisième partie vous guide tout au long de la procédure de gestion et de publication des données altimétriques.

Altitude du sol et altitude de surface

Deux représentations d'altitude fondamentales sont requises pour prendre en charge la plupart des utilisateurs : l'altitude du sol et celle de la surface. L'altitude du sol est parfois appelée modèle numérique d'altitude (MNA) ou de terre nue, tandis que l'altitude de surface est généralement définie par le sol et les éléments placés dessus, y compris les bâtiments, le couvert des arbres, les ponts, etc. L'altitude de surface est parfois appelée modèle numérique de surface (MNS). Certains utilisent également le terme de modèle numérique de terrain (MNT) pour faire référence aux données MNA stockées et modélisées directement à partir des points.

Généralement, le MNA est requis pour l'orthorectification des images aériennes, tandis qu'un MNS doit être utilisé pour les calculs du champ de vision.

Un MNA défini hydrographiquement constitue une quatrième représentation. Il s'agit d'un cas spécial de MNA qui a été développé selon des méthodes rigoureuses et des contrôles de qualité, pour être utilisé en modélisation hydrologique, telle que la modélisation informatique des flux hydrauliques. Ce type de MNA est non applicable dans de nombreuses organisations et applications, mais il sera mentionné lorsqu'il pourra être utilisé, dans le reste de ce workflow.

Représentation des plans d'eau

Il est possible de représenter différemment des plans d'eau dans les modèles d'altitude. La façon de les représenter dépend généralement de ce dont les utilisateurs ont besoin. Voici quelques-unes des options standard :

1. L'eau est une surface plane : pour des visualisations, tous les lacs et océans doivent apparaître à leur niveau d'eau normal. Dans certains cas, les plans d'eau peuvent être normalisés pour avoir une valeur d'altitude égale à zéro. Cette méthode est généralement utilisée pour l'orthorectification.
2. La sous-surface aquatique est valide : par exemple, pour une modélisation hydrologique, un ingénieur civil peut vouloir connaître la topographie d'un bassin fluvial en l'absence d'eau. Par conséquent le MNT inclut des données bathymétriques.
3. L'eau correspond à NoData (car ce n'est pas un sol) : pour une application requérant des calculs précis de la surface d'un terrain.

Pour la plupart des applications, le premier cas constitue l'interprétation préférée.

Hauteur ellipsoïdale et hauteur orthométrique

Un autre attribut de données que le gestionnaire de données doit comprendre correspond à la hauteur ellipsoïdale et à la hauteur orthométrique. La hauteur ellipsoïdale se rapporte aux valeurs d'altitude au-dessus ou au-dessous d'une surface idéelle qui se rapproche de la forme de la Terre, en tant que sphéroïde. WGS 84 est un exemple d'ellipsoïde, mais de nombreux ellipsoïdes différents sont utilisés.

Il est important de comprendre que l'ellipsoïde est une surface très lisse et qu'elle peut s'écarter grandement du niveau de la mer local (qui est défini par un modèle de géoïde). Dans les technologies modernes de positionnement (par exemple, les positions orbitales des satellites et le GPS, massivement utilisés en photographie aérienne, pour le lidar et le radar topographique, ainsi que l'arpentage au sol), toutes les mesures sont généralement effectuées par rapport à un ellipsoïde de référence.

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

• Les hauteurs ellipsoïdales sont généralement utilisées pour les applications basées sur les données GPS et pour l'orthorectification des images satellite, tandis que la photographie aérienne peut utiliser les deux types de hauteurs en fonction du datum utilisé pour l'orientation extérieure. L'orientation extérieure peut être orthométrique (si le contrôle pour le projet a été généré à l'aide de données de stations terriennes) ou ellipsoïdale (avec par exemple le GPS aéroporté + IMU). Dans ce dernier cas, la hauteur ellipsoïdale du sol serait requise pour prendre en charge le processus d'orthorectification.
• Les hauteurs orthométriques sont généralement utilisées en arpentage, hydrologie, agriculture et gestion des terres.

La plupart des jeux de données d'altitude sont traités pour signaler la hauteur orthométrique, mais le gestionnaire de données doit comprendre la différence et confirmer ce qui est fourni dans les données en entrée. En outre, il est fort probable que la fourniture des données altimétriques dans les deux formats soit exigée, ce qui requiert un processus de conversion.

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

Dans la plupart des scénarios, il est recommandé de configurer le service d'altitude de base pour utiliser les hauteurs orthométriques, puis d'appliquer des fonctions (utilisant un géoïde approprié), si les hauteurs ellipsoïdales sont requises, pour calculer un service à hauteurs ellipsoïdales. Reportez-vous à la rubrique Conversion de hauteurs orthométriques en hauteurs ellipsoïdales pour plus d'informations concernant la conversion de vos hauteurs orthométriques en hauteurs ellipsoïdales à l'aide du géoïde (EGM96) dans ArcGIS.

Précision des mesures d'altitude

Il existe deux valeurs courantes associées aux données détectées à distance et à la cartographie pour définir la précision des données : l'erreur circulaire et l'erreur linéaire. La précision spatiale horizontale correspond à l'erreur circulaire des coordonnées horizontales d'un jeu de données à un pourcentage de confiance donné. La précision spatiale verticale est définie par l'erreur linéaire de la coordonnée verticale d'un jeu de données à un pourcentage de confiance donné, comme par exemple une mesure d'altitude. D'une façon générale, la précision est mesurée par la distribution de probabilité qu'une valeur possède à partir de la valeur réelle. Une précision correspondant à un niveau de confiance de 90 pour cent signifie que 90 pour cent des précisions de localisation seront inférieures ou égales à la valeur de précision signalée.

Vous pouvez voir des éléments dans les métadonnées tels que CE90 ; cela signifie qu'il s'agit d'une mesure avec une erreur circulaire de 90 pour cent et qu'une valeur lui sera souvent associée, tandis que LE90 correspond à une erreur linéaire de 90 pour cent. Vous pouvez également voir VE pour erreur verticale (Vertical Error) (il s'agit d'une erreur linéaire dans une direction verticale). Par exemple, les données SRTM sont souvent signalées avec VE90 = 16 mètres, ce qui signifie que 10 pour cent de la mesure verticale peut dévier de plus de 16 mètres par rapport à la mesure verticale correcte à un point (en tenant compte des imprécisions de latitude, longitude et hauteur).

Les normes de cartographie nationales sont en vigueur depuis 1947. Par exemple, "Pour les cartes avec des échelles de publication supérieures à 1:20 000, pas plus de 10 pour cent des points testés ne doivent présenter une erreur supérieure à 1/30 pouce…Ces limites de précision doivent s'appliquer dans tous les cas aux positions de points bien définis uniquement…tels que des monuments, des symboles ponctuels, des intersections de routes, etc." (U.S. Bureau of the Budget, 1947). De nouvelles normes ont été adoptées au fil du temps, la dernière ayant été publiée par le FGDC (Federal Geographic Data Committee) en 1998. Par exemple, pour signaler une classification de précision de 1 mètre pour une entité avec un niveau de confiance de 95 pour cent, la précision sur les données doit être inférieure ou égale à 1 mètre. La principale différence dans ces mesures tient au fait que la norme n'est plus basée sur une mesure utilisant une échelle. Vous pouvez également noter que la mesure est devenue plus précise, passant de CE90 à CE95.

Bibliographie :

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

Sources de données

Il existe trois types fondamentaux de données.

1. Données publiques (gratuites, provenant généralement de sources gouvernementales)
2. Données acquises auprès de prestataires de cartographie proposant des produits commerciaux
3. Données propriétaires générées par votre organisation (par le biais de sources internes ou d'un contrat avec un fournisseur de services de cartographie)

Ces sources de données ou d'autres sources de données peuvent fournir des données altimétriques via Internet, sous la forme d'un service ou de données susceptibles d'être téléchargées. Une organisation peut envisager d'utiliser ce service, mais le workflow associé suppose que le gestionnaire des données utilise des données internes, stockées localement.

Données publiques

Vous trouverez ci-dessous un tableau répertoriant certaines sources de données altimétriques du domaine public.

• GTOPO est un jeu de données d'altitude global, doté d'une résolution de 30 secondes d'arc (environ 1 kilomètre), téléchargeable à l'adresse http://www1.gsi.go.jp/geowww/globalmap-gsi/gtopo30/gtopo30.html.
• ETOPO est un modèle global en relief de 1 minute d'arc de la surface de la Terre, qui intègre la topographie du terrain et la bathymétrie océanique, téléchargeable à l'adresse http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html.
• Global Multiresolution Terrain Elevation Data 2010 (GMTED2010) est une suite de produits dotés de trois résolutions différentes (environ 1 000, 500 et 250 mètres) qui sera fournie par l'USGS. Pour plus d'informations, reportez-vous à la page http://pubs.usgs.gov/of/2011/1073.
• Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) fournit des données altimétriques à une échelle quasi mondiale, acquises par la navette spatiale, pour générer la base de données topographiques numériques haute résolution la plus complète de la Terre. Cette base de données est disponible à l'adresse http://srtm.usgs.gov/index.php.
• Le radiomètre imageur ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) équipe le satellite Terra de la NASA et les images stéréoscopiques obtenues à partir de ce capteur ont été traitées pour générer un modèle numérique d'altitude quasi mondial entre les latitudes 83N et 83S avec des enregistrements de 30 mètres. Il est disponible à l'adresse http://asterweb.jpl.nasa.gov/gdem.asp.
• Le jeu de données 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, de 1/3 seconde d'arc et de 1/9 seconde d'arc (dans des zones limitées). Pour en savoir plus, visitez la page http://ned.usgs.gov/.
• Modèles de géoïde tels que EGM96 et EGM2008. (Le géoïde intégré à ArcGIS est une approximation d'EGM96.)
• Les services World Elevation d'Esri fournissent un accès en ligne simple à des collections mondiales de données altimétriques multi-résolutions et multi-sources, à des produits de données altimétriques, à des applications associées et à des services supplémentaires. Services World Elevation sont accessibles par le biais du groupe ArcGIS Beta Community.

Données acquises

Certaines sociétés privées sont répertoriées ci-dessous, qui fournissent (pour un certain prix) des données altimétriques sous la forme d'un produit prétraité (commercial) ou par le biais de projets d'acquisition personnalisés, de la manière souhaitée :

• Intermap
• SPOT
• FURGO

Données d'organisation

Une troisième source possible de données altimétriques peut être développée au sein de votre propre organisation. Elle peut être générée en interne au moyen de ressources internes telles que des équipes d'arpentage au sol ou d'autres technologies, comme la photogrammétrie ou lidar. Votre organisation peut également acquérir ces données par le biais d'un contrat personnalisé.

Types de systèmes comme sources de données

Outre la question "Où l'organisation peut-elle obtenir des données altimétriques ?", il peut être important pour le gestionnaire des données de comprendre les types de systèmes de capteurs ou les technologies qui fournissent des données altimétriques. Cette rubrique n'a pas pour objet de fournir une présentation détaillée des technologies, mais les organisations qui utilisent des données altimétriques doivent comprendre quelques concepts de base concernant les technologies actuelles de cartographie de MNT à partir de plateformes aériennes ou satellite, telles que la photogrammétrie et les systèmes radar et lidar.

Photogrammétrie

Une introduction à la photogrammétrie est disponible sur le site www.geodetic.com. Voici quelques concepts clés qu'un gestionnaire de données doit comprendre au sujet de la photogrammétrie :

• La photogrammétrie permet de générer un modèle d'altitude pour la zone couverte par photographie aérienne stéréoscopique.
• Les données altimétriques, lorsqu'elles sont disponibles, peuvent également être utilisées en tant qu'entrée dans le processus photogrammétrique pour apporter des corrections aux données d'image.
• Dans les zones fortement boisées, où le sol nu ne peut pas être observé par imagerie, le modèle d'altitude obtenu peut représenter la partie supérieure du couvert forestier (MNS), ou le MNA de terre nue peut n'être qu'une surface estimée.

Lidar aéroporté

Pour une présentation de lidar reportez-vous à la rubrique Présentation de lidar.

Voici quelques concepts clés qu'un gestionnaire de données doit comprendre au sujet des données lidar :

• Les données lidar peuvent être collectées à partir de diverses plateformes, dont notamment des plateformes satellite, aéroportées ou terrestres mobiles ou stationnaires.
  • Pour la cartographie topographique, le lidar aéroporté est le plus utilisé.
  • Les systèmes lidar terrestres sont de plus en plus utilisés pour l'acquisition de points de données 3D de villes, bâtiments (extérieurs et intérieurs) et d'autres structures. (Les données lidar terrestres ne sont généralement pas applicables dans le contexte de ce workflow d'altitude, mais cela peut changer au fil du temps.)
  • Des systèmes lidar spécialisés peuvent également être utilisés pour la cartographie bathymétrique (voir ci-dessous).
• Les données lidar sont (à l'origine) des données 3D non quadrillées, stockées dans un format de type nuage de points. Elles sont souvent traitées pour créer des surfaces raster (MNA ou MNS).
• Le lidar est un système de détection active dont le fonctionnement ne dépend pas du rayonnement solaire. Cependant, de nombreux systèmes de lidar modernes comprennent un système de caméra numérique, qui fournissent naturellement des données dans des conditions nocturnes.
• Le lidar est possiblement la technologie la plus efficace d'acquisition de données altimétriques des modèles MNS et MNA. Bien que le signal lidar ne puisse pas pénétrer le couvert forestier, la haute résolution du laser de numérisation permet d'obtenir des retours lorsque le faisceau parvient à pénétrer dans des interruptions dans le couvert forestier, ce qui permet de collecter une représentation relativement bonne du MNA de terre nue.
• Bien que le signal lidar ne puisse pas pénétrer le couvert forestier, la haute résolution du laser de numérisation permet d'obtenir des retours lorsque le faisceau parvient à pénétrer dans des interruptions dans le couvert forestier, ce qui permet de collecter une représentation relativement bonne du MNA de terre nue.
• Les données lidar, stockées en tant que fichiers LAS, n'ont pas besoin d'être converties en surfaces raster pour être ajoutées à une mosaïque. Il est possible d'ajouter directement les fichiers LAS à une mosaïque.

  Pour en savoir plus sur l'ajout de données LAS à une mosaïque

• Livre blanc détaillé sur l'Analyse des données lidar dans ArcGIS 10 pour des applications forestières.pdf.

Radar et radargrammétrie

Une introduction à la cartographie radar de MNT est disponible sur le site http://www.intermap.com.

Voici quelques concepts clés qu'un gestionnaire de données doit comprendre au sujet de la cartographie radar de MNT :

• Les systèmes de cartographie radar sont actifs (il ne nécessitent pas un rayonnement solaire, à la différence de la photographie aérienne) et les longueurs d'ondes peuvent traverser les nuages. Pour ces raisons, le radar est efficace dans les climats tropicaux, ainsi que pour un fonctionnement étendu (tôt le matin, tard le soir ou même après la tombée de la nuit).
• Les longueurs d'onde par essence plus longues utilisées par le radar entraînent certaines restrictions concernant d'autres fréquences électromagnétiques. Par exemple, la précision horizontale et la précision verticale des données radar sont généralement mesurées en mètres ou décimètres, contrairement aux systèmes optiques aux ondes plus courtes tels que le lidar, pour lesquels elles sont mesurées en centimètres.
• En fonction de la longueur d'onde, certains systèmes radar traversent partiellement la végétation (mais avec en contrepartie une précision inférieure), alors que d'autres assurent une plus grande précision mais ne peuvent pas traverser la végétation (générant ainsi un modèle numérique de surface, mais ayant des difficultés à créer un modèle numérique d'altitude dans les zones fortement boisées).
• Les données radar brutes requièrent un traitement spécialisé pour générer des données altimétriques, lequel n'est pas disponible dans ArcGIS.

données sonar,

Pour la cartographie bathymétrique de la géométrie subaquatique dans des lacs ou l'océan, le sonar représente une technologie courante. Reportez-vous à la page http://fr.wikipedia.org/wiki/Bathymétrie pour obtenir des informations contextuelles.

Voici quelques concepts clés qu'un gestionnaire de données doit comprendre au sujet de la cartographie de MNT au moyen d'un sonar :

• La résolution horizontale et la précision verticale des systèmes sonar sont inférieures à celles des arpentages terrestres équivalents.
• Une discontinuité existe souvent le long de la ligne de côte entre l'emplacement où les données bathymétriques cessent et l'emplacement où les jeux de données d'altitude terrestres commencent. Cette région intertidale/côtière peut nécessiter un traitement spécial pour éviter des discontinuités de type NoData.

Les systèmes lidar aéroportés peuvent également être utilisés pour la cartographie bathymétrique. Pour plus d'informations, reportez-vous à la page http://gcmd.nasa.gov/records/GCMD_USACE_SHOALS.html.

Structures des données

Valeurs à virgule flottante ou valeurs de type entier

Les données altimétriques s'appuient sur un échantillonnage de points et une interpolation est souvent nécessaire pour estimer les échantillons manquants d'une zone de données altimétriques. Les valeurs altimétriques sont généralement stockées dans un format à virgule flottante, quoique certaines données à petite échelle (telles que les données SRTM) soient stockées dans le format entier. Le gestionnaire de données doit comprendre le concept de type de données.

Dans la plupart des cas, les résultats des produits d'analyse ou de visualisation peuvent être fournis sous la forme d'images au format entier, tandis que les utilisateurs et les applications qui utilisent des valeurs altimétriques requièrent des données à virgule flottante. (Reportez-vous aux descriptions dans la Partie 2 de ce document pour plus d'informations.)

Les avantages de l'utilisation de données de type entier (si nécessaire) se rapportent

• à la réduction du volume de données (8 ou 16 bits par échantillon contre 32 pour des données à virgule flottante) et
• Compression facilitée (plus grande rapidité de traitement, avec un taux de compression supérieur)

En revanche, notez que si des valeurs altimétriques entières sont utilisées, un inconvénient est que des paliers (plateformes) peuvent apparaître dans certains produits (tels qu'un ombrage) en raison de l'arrondi. L'exemple ci-dessous illustre une région représentée par des données SRTM avec l'apparition de paliers dans un produit avec ombrage.

Certaines données sont fournies en tuiles. Si vous pouvez contrôler la façon dont les données sont tuilées, une superposition d'au moins 1 pixel est recommandée entre les tuiles.

Formats standard

Pour stocker et diffuser plus efficacement les données d'altitude de raster, Esri recommande d'utiliser le format TIFF à virgule flottante 32 bits, avec la compression LZW. Ce format est le plus simple d'utilisation et de maintenance, et il fournit les meilleures performances globales.

Voici d'autres formats susceptibles d'être rencontrés :

• Esri Grid : il s'agit d'un format standard de stockage des données altimétriques dans les logiciels Esri. Cependant, le gestionnaire des données doit maintenant envisager de convertir les données de ce format en TIFF pour améliorer les performances dans un environnement serveur.
• FLT (format binaire à virgule flottante) : il est similaire à celui des fichiers TIFF à virgule flottante 32 bits, mais sans en-tête. Il ne s'agit pas d'un format tuilé et il est recommandé uniquement pour de faibles étendues.
• ASCII DEM : il s'agit d'un fichier de données ASCII brutes qui peut correspondre à une structure raster régulière ou à des données quadrillées de façon irrégulière. Dans le dernier cas, le fichier répertorie explicitement les valeurs x,y,z. Il est inefficace pour le stockage, la lecture et l'écriture, mais il s'agit d'un format de stockage universel. Il est hautement recommandé de convertir ces données vers TIFF pour améliorer les performances.
• IMG d'ERDAS : les données altimétriques peuvent être stockées au format IMG, pris en charge par ArcGIS.
• Grille BAG (Bathymetry Attributed Grid) : ce format est utilisé pour les données bathymétriques et il est partiellement pris en charge dans ArcGIS 10. Le logiciel lit correctement les données altimétriques de raster, mais ne prend pas complètement en charge toutes les composantes du format (telles que les points d'or). Pour plus d'informations sur la spécification du format, reportez-vous à la page http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/bathymetry/noshdb/ons_fsd.pdf.
• DTED (Digital Terrain Elevation Data) : il s'agit d'une spécification de format avec des aspects spécifiques concernant la résolution et la précision des données altimétriques, définie par la NGA (National Geospatial-Intelligence Agency). Les données au format DTED sont généralement correctement exploitables. Par conséquent, elles ne nécessitent pas de conversion. Pour plus d'informations, reportez-vous au site Web de la National Geospatial-Intelligence Agency.
• Jeu de données de MNT Esri : il s'agit d'un TIN multi-résolutions créée à partir de mesures z 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. Ils doivent être convertis en un jeu de données raster ; le format TIFF est recommandé. Pour plus d'informations, reportez-vous à la rubrique Qu'est-ce qu'un jeu de données de MNT ?.
• HRE (High Resolution Elevation) : il s'agit d'un format relativement nouveau, conçu pour le stockage de données altimétriques haute résolution. Il est prévu pour une grande variété de partenaires et membres des agences NGA (National Geospatial-Intelligence Agency) et NSG (National System for Geospatial Intelligence) et de clients externes à la NSG, pour accéder et exploiter les produits de données standardisés. Les données HRE remplacent les produits non standard d'altitude/informations de terrain haute résolution (HRTE/HRTI) actuels, ainsi que les produits non standard DTED des niveaux 3 à 6.
• Données lidar au format LAS : ce format prend en charge les données de nuage de points à trois dimensions. Il est conçu par l'ASPRS (American Society for Photogrammetry and Remote Sensing). Il peut être pris en charge directement par une mosaïque ou en créant un jeu de données LAS.

Données altimétriques irrégulières

Les données altimétriques sont généralement stockées au format de raster. Cependant, les gestionnaires de données doivent détecter les données stockées dans des formats irréguliers, non basés sur des cellules. Un réseau d'interpolation triangulaire (TIN, Triangular Interpolated Network) en est un exemple. Ce format irrégulier est souvent utilisé pour le stockage des données altimétriques, notamment dans le cas d'une organisation qui effectue la collecte et la maintenance de ses propres données altimétriques, étant donné qu'il conserve les données d'origine (par exemple, les échantillons de points d'altitude précis en 3D). Un autre format à considérer est un jeu de données de MNT (mentionné ci-dessus). Il peut être visualisé sous la forme d'un TIN. Pour plus d'informations, reportez-vous à la rubrique Affichage de jeux de données de MNT dans ArcGIS.