DÉVELOPPEMENT ET APPLICATION D’UN SYSTÈME MOBILE DE LASER TERRESTRE

La ligne de rivage

   Au contact du continent et de l’océan, la ligne de nivage est une des entités géomorphologiques des plus dynamiques sur la planète, constamment modifiée par l’impact des vagues, la variation due niveau d’eau du à la marée, des tempêtes côtières, de la géomorphologie de la plage et de l’eau souterraine ainsi que par les interventions humaines (Boak et Turner, 2005; Johnson, 1919; Rocha, Araujo et Mendoça, 2009; Xhardé, 2007). La connaissance de la dynamique de cette entité géomorphologique s’avère importante dans l’optique où cette limite est généralement utilisée dans le cadre de la gestion et l’aménagement de la zone côtière (Liu, Sherman et Gu, 2007; Provencher et Dubois, 2010; Rocha, Araujo et Mendoça, 2009). En ce sens, elle est utilisée pour définir la zone constructible, la conception des structures de protection contre l’érosion littorale, dans l’étude de l’érosion et de l’accumulation d’un système côtier ainsi que pour l’analyse du transit et du bilan sédimentaire (Liu, Sherman et Gu, 2007). La définition exacte de la ligne de rivage est encore confuse au sein de la littérature et varie selon les différents auteurs. Boak et Turner (2005) ont réalisé une revue de littérature sur la définition et la limite utilisée par les auteurs. Il existe deux groupes de classification des indicateurs de la ligne de rivage : (1) les limites basées sur des éléments observables et (2) les limites basées sur des niveaux d’eau (Boak et Turner, 2005; Pajak et Leatherman, 2002). Selon les auteurs, la variable pour définir la limite est généralement choisie en fonction du contexte de l’étude. D’autres auteurs définissent plutôt la ligne de rivage comme une limite mobile, variant dans la zone intertidale selon la hauteur de la marée (Bird, 2008; Johnson, 1919). La plus communément utilisée dans la littérature est la ligne des hautes eaux qui correspond au changement de teinte laissé par la venue du jet de rive lors de la marée haute puisqu’elle est facilement reconnaissable sur le terrain et par photo-interprétation (Boak et Turner, 2005 ; Grenier et Dubois, 1992; Morton et Speed, 1998; Pajak et Leatherman, 2002; Rosati, 2005).

Méthodes d’acquisition et de calcul d’un bilan sédimentaire

   L’acquisition de données topographiques, la cartographie des changements géomorphologiques et des processus actifs ont longtemps été des barrières pour les chercheurs, entre autres les géomorphologues côtiers (French et Burningham, 2009), notamment par le manque de méthode d’acquisition de données quantitatives adaptées aux environnements côtiers. Ces méthodes ont beaucoup évolué dans les 50 dernières années. La première méthode quantitative d’acquisition de données topographiques répertoriée est la méthode d’Emery, où il utilise l’horizon pour obtenir une ligne de niveau et deux jalons calibrés à chaque extrémité d’un profil pour mesurer la distance et l’altitude relative (Emery, 1961). Cette méthode correspond à l’acquisition des premiers profils de plage, qui deviendra la méthode la plus utilisée pendant plusieurs décennies pour connaître la variabilité géomorphologique des plages. La méthode consiste à prendre un point topographique à un intervalle régulier sur le profil de plage, entre le trait de côte et le bas estran afin de connaître sa topographie et les changements géomorphologiques (Baptista et al., 2008; Griggs et Tait,1988; Morton et al., 1993). La méthode d’Emery a rapidement connu une amélioration avec l’arrivée des premiers instruments de mesure, notamment le niveau à stadia, diminuant ainsi l’erreur associée au relevé (Birkemeier, 1981 ; Morton et al., 1993). Le théodolite et la station totale ont ensuite été utilisés, permettant de connaître l’altitude et la distance par la mesure des angles verticaux et horizontaux, diminuant encore l’erreur associée au relevé. Avec l’apparition de la télédétection et des nouvelles technologies associées, des chercheurs de différents domaines ont rapidement exploré de nouvelles avenues pour adapter ces techniques à leur réalité. Les géomorphologues côtiers ont alors commencé à utiliser cette technologie afin de mieux quantifier leurs études par des données bathymétriques, topographiques et par l’imagerie satellitaire (French et Burningham, 2009). L’arrivée du GPS (Global Positioning System) puis du D-GPS (DifferentiaI Global Positioning System) en géomorphologie a remplacé le niveau à stadia, le théodolite et la . station totale, principalement lors d’études utilisant des profils de plage pour connaître les changements morphosédimentaires des plages (Baptista et al. , 2008; Dombusch, 2010). La limite de cette méthode la plus souvent exprimée par les auteurs est le temps d’acquisition élevé (Baptista et al., 2008; Gares et al., 2006; Morton et al., 1993). Face à ce problème, différents auteurs ont installé un D-GPS sur des véhicules tout terrain (VTT) ou sur des systèmes à roue qu’ils ont adaptés pour les relevés sur les plages (Baptista et al., 2008; Bernstein et al., 2003; Morton et al., 1993; Rocha, Araujo et Mendoça, 2009; Ruggiero et al., 2005, Sallenger et al., 2003). Aussi, le D-GPS utilisé en mode cinématique en temps réel (RTK) , où les données sont corrigées en différentiel par ondes radio lors du relevé diminue le post-traitement et accélère le temps de relevé (Bernstein et al., 2003; Morton et al., 1993). Pour augmenter la densité de points topographiques, certains auteurs préfèrent réaliser des relevés surfaciques plutôt que des relevés ponctuels de profils de plage (Baptista et al., 2008; Bernstein et al., 2003; Huang et al., 2002; Ruggiero et al, 2005). Cette méthode augmente la densité de points et la précision lorsque ces relevés sont interpolés en modèles d’altitude (Bernstein et al., 2003;Dornbusch, 2010). Les relevés surfaciques augmentent cependant le temps d’acquisition,ceux-ci pouvant atteindre deux fois le temps pris pour des relevés ponctuels de profils (Bernstein et al., 2003). D’autres auteurs mentionnent l’augmentation de l’erreur dans les résultats de volumes sédimentaires calculés lorsque la méthode utilisée est l’interpolation des profils de plage (Irish, Lillycrop et Parson, 1997).

GPS

  Le GPS (Global Positionning System) est un système global de positionnement utilisant une constellation de 24 satellites et leurs stations de contrôle terrestres. Le GPS utilise ces satellites pour calculer une position à une précision métrique et même centimétrique pour certains types de GPS. Pour calculer la position, le principe de triangulation de la distance entre le récepteur et un minimum de quatre satellites est appliqué. La distance correspond au temps de déplacement de l’onde électromagnétique multiplié par la vitesse du signal émis (Trimble, 2007). Pour connaître le temps de transmission du signal, le récepteur et le satellite doivent synchroniser précisément leur trame pseudo-aléatoire. À l’intérieur du satellite, il y a une horloge atomique programmée à une heure très précise, mais compte tenu du coût de ce type d’horloge, aucun récepteur ne peut en contenir une. Pour contrer ce problème, plusieurs satellites peuvent être utilisés pour corriger l’erreur associée au récepteur. Pour effectuer le calcul de triangulation, la position exacte des satellites dans l’espace doit être déterminée. Lorsqu’un satellite est lancé dans l’espace, il est associé à une orbite très précise, faisant partie d’un plan global. À l’intérieur de chaque récepteur terrestre, un almanach est programmé afin de connaître la position de chacun des satellites à chaque instant. Bien que cette position théorique soit assez près de la position réelle, leur orbite est constamment vérifiée par des radars qui acquièrent l’altitude, la position et la vitesse exactes des satellites. Les différences dans le positionnement sont causées par des poussées gravitaires provenant de la Lune et du Soleil et par la pression des radiations solaires sur le satellite. Cette erreur est appelée l’éphéméride et est contenue dans le signal GPS avec la trame pseudo-aléatoire, permettant donc de connaître la distance et la position exacte du satellite. Différentes sources d’erreur peuvent diminuer la précision du GPS (Bossler et al., 2001 ;Trimble navigation, 2007). Tout d’abord, les erreurs associées à l’horloge interne et à l’orbite sont considérées. Ces deux erreurs sont très minimes, mais elles doivent être prises en compte puisque l’horloge interne peut subir un léger décalage et l’éphéméride n’est pas calculée à toutes les secondes. Ensuite, puisque le signal traverse l’ionosphère et la troposphère, il peut faire face à des particules et à de la vapeur d’eau qui l’altèrent. Pour minimiser cette erreur, un système à double fréquence peut être utilisé. Deux fréquences, LI et L2, peuvent être comparées et ainsi réduire l’erreur. Enfin, la dernière source d’erreur est associée aux obstacles que peut rencontrer le signal GPS, provoquant des signaux rebonds. Ces signaux sont généralement assez forts pour brouiller les signaux directs. Malgré toutes ces sources d’erreur, une erreur moyenne de moins de 10 m est atteinte par un GPS (Bossler et al., 2001). Par contre, pour diminuer considérablement l’erreur finale atteinte, un GPS-différentiel peut être utilisé. Le principe du GPS-différentiel consiste à utiliser une base stationnaire terrestre ayant une position connue et un récepteur mobile. La base stationnaire utilise sa position connue pour calculer la distance et ainsi le temps de transmission, alors que le récepteur mobile est utilisé comme un GPS standard. La position calculée par la base est alors utilisée comme facteur de correction pour la série de données acquises par le récepteur mobile et une précision centimétrique peut être atteinte (Huang, Jackson et Cooper, 2002; Trimble Navigation, 2007). Le tableau 2.1 montre l’erreur type atteinte pour un GPS standard et pour un GPS-différentiel associé à chacune des sources d’erreur.

Conditions hydrodynamiques

   La péninsule de Manicouagan est située sur la côte nord de l’estuaire maritime du SaintLaurent au Québec, Canada (figure 3.1). Cette région correspond à une unité hydrosédimentaire limitée par deux grands systèmes fluviaux, la rivière aux Outardes à l’ouest et la rivière Manicouagan à l’est (Dubois, 1979). Cette unité primaire est subdivisée en quatre cellules définies par la divergence de courants de dérives littorales principales (Bernatchez, 2003). La marée de type semi-diurne présente un marnage de 3 m lors de la marée moyenne et de 4,3 m lors de marées de vive-eau (Service hydrographique du Canada). Située dans une région tempérée froide, la zone d’étude est soumise aux processus glaciels qui peuvent contribuer largement aux changements morphologiques des plages et à leur évolution (Dionne, 1973 ; Lessard et Dubois, 1984 ; Moign, 1972).

Table des matières

REMERCIEMENTS
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES ABRÉVIATIONS
RÉSUMÉ
CHAPITRE 1 INTRODUCTION GÉNÉRALE 
1.1 Problématique 
1.2 Objectifs
CHAPITRE II CADRE THÉORIQUE
2.1 La zone côtière 
2.1.1 La ligne de rivage
2.1.2 Effets de l’artificialité sur la géomorphologie et la sédimentologie des plages
2.2 Méthodes d’ acquisition et de calcul d’un bilan sédimentaire 
2.3 Instrumentation – les principes généraux
2.3.1 GPS
2.3.2 LiDAR
CHAPITRE III SITE D’ÉTUDE 
3.1 Conditions hydrodynamiques 
3.2 Caractéristiques de la zone côtière
3.3 Lithologie des plages 
CHAPITRE IV MATÉRIEL ET DÉMARCHE MÉTHODOLOGIQUE 
4.1 Campagne sur le terrain 
4.1.1 Caractéristiques du système mobile de laser terrestre
4.1.2 Période de levé
4.1.3 Validation sur le terrain
4.2 Traitement des données des différents capteurs 
4.2.1 Calibration et positionnement
4.2.2 Exactitude des données du LiDAR
4.3 Traitement cartographique 
4.3.1 Caractérisation côtière
4.3.2 Disponibilité sédimentaire
CHAPITRE V RÉSULTATS 
5.1 Erreur systématique
5.2 Variabilité spatiale du bilan sédimentaire
5.2.1 Cellule de Pointe-aux-Outardes
5.2.2 Cellule de Baie-Saint-Ludger
5.2.3 Cellule de la pointe Paradis
5.2.4 Cellule de Pointe-Lebel
5.3 Intervalle des profiIs 
CHAPITRE VI DISCUSSION 
6.1 Erreurs résultantes
6.2 Variabilité spatiale de la disponibilité sédimentaire 
6.3 Impacts de l’ intervalle des profils d’IBSP
CHAPITRE VII CONCLUSION GÉNÉRALE 
RÉFÉRENCE
ANNEXE 1
ANNEXE 2

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