Soutenance mémoire
Moyens mobiles de surveillance
AIRAQ dispose également de deux laboratoires mobiles qui permettent de réaliser les mêmes mesures que les stations fixes, tout en permettant les déplacements. Ceux-ci rendent possible la couverture de nouvelles zones (pour par exemple valider des emplacements pour l’installation de nouvelles stations fixes), ou encore permettent de répondre à des demandes ponctuelles. En plus des laboratoires mobiles, AIRAQ dispose de préleveurs qui permettent de d’évaluer la présence de certains polluants spécifiques, et d’armoires de mesures qui réalisent les même types de mesures que les laboratoires mobiles mais qui présentent l’avantage d’être plus légères et simples à utiliser. D’autre part, si des moyens de mesure tels que les stations fixes et les laboratoires mobiles permettent d’évaluer l’évolution temporelle des polluants sur le territoire, d’autres types de mesure permettent de connaître la variation spatiale des concentrations de polluants. Il s’agit des campagnes de mesures par tubes passifs, qui consistent à placer sur un territoire restreint un ensemble de points de mesures. L’information « temporelle » est moins précise que pour une mesure continue puisque les concentrations mesurées sont moyennées sur au minimum 2 semaines. Ces campagnes permettent par contre de réaliser des cartographies de polluants, à partir des données de l’ensemble des points et par modélisation. A partir de ce dispositif de surveillance de la qualité de l’air par moyen continu ou mobile, AIRAQ peut remplir ses deux premières missions : mesurer et exploiter. L’ensemble des données acquises en continu par les stations fixes ou les laboratoires mobiles sont envoyées au serveur d’AIRAQ. Ces données sont ensuite exploitées : validées puis archivées. Ces activités sont assurées par le service exploitation d’AIRAQ, aidé pour la maintenance de l’ensemble des stations fixes par le Laboratoire des Pyrénées.
Mission du stage : comment représenter à la fois pollution de fond et pollution de proximité automobile?
Deux techniques sont donc maîtrisées séparément : la cartographie de fond, et la modélisation de la pollution automobile. Le cœur de la problématique du stage consiste donc à résoudre ce problème : comment représenter sur une cartographie ces deux phénomènes? Une première solution pourrait consister à réaliser tout d’abord la cartographie de fond à l’aide des points de mesure, puis superposer le long des principaux axes les concentrations modélisées sous STREET. Cette méthode n’est pas satisfaisante sur au moins deux points :
• Les mesures PA n’étant pas utilisées, cette information est perdue, et les concentrations modélisées sous STREET risquent d’être incohérentes avec les mesures PA;
• Les concentrations modélisées sur le réseau routier ne sont pas spatialisées : l’impact des axes routiers sur la qualité de l’air au voisinage des axes (à 100 ou 200 m) n’est pas pris en compte.
La méthode développée lors de ce stage consiste à travers une approche géostatistique à combiner les informations relatives aux mesures de fond et les informations relatives à la pollution de proximité automobile (modélisation et mesures PA). Le but est d’utiliser conjointement les deux outils ISATIS et STREET. Le but final du stage est de fournir un mode opératoire permettant de réaliser, pour n’importe quelle agglomération, une cartographie des niveaux de polluants intégrant phénomènes de fond et de proximité. Ce mode opératoire a été mis en place pour deux polluants : le dioxyde d’azote (NO2) et le benzène (C6H6).
Démarche pour paramétrer au mieux
Le but initial du stage était la cartographie du dioxyde d’azote. Une fois la méthodologie mise en place, les outils maîtrisés, et les paramètres optimaux fixés, le temps restant a permis de s’intéresser au polluant benzène. La démarche pour cartographier en intégrant pollution de fond et pollution de proximité automobile restant la même, le travail supplémentaire n’a concerné que le choix du paramétrage optimal adapté au polluant benzène. Ainsi, le protocole d’utilisation est entièrement rédigé pour permettre la cartographie du dioxyde d’azote. Pour réaliser la cartographie du benzène, l’idée est de reprendre le protocole d’utilisation en changeant les deux paramètres : distance d’impact et portée de la spatialisation. Les changements intervenant dans la démarche sont expliqués en annexe du protocole d’utilisation. Le paramétrage choisi est celui qui donne les meilleurs résultats en moyenne. Pour les deux polluants, l’étape de validation de la méthode (choix des paramètres optimaux) a montré que sur un cas particulier, il est possible la meilleure solution ne soit pas obtenue à partir des paramètres fournissant en moyenne les meilleurs résultats. Une démarche de test des paramètres (la démarche même qui a servi sur Périgueux et Agen) est donc présentée dans le mode opératoire. La possibilité est donc laissée à l’utilisateur de tester lui-même les paramètres.
Le protocole d’utilisation
Le protocole d’utilisation est le principal document du rendu de ce stage. Il atteint un degré de précision tel qu’il doit permettre à un utilisateur maîtrisant les outils STREET, ISATIS et MAPINFO de réaliser une cartographie intégrant pollution de fond et phénomène de proximité automobile. Le protocole d’utilisation décrit la méthode en 8 tâches, chacune de ces tâches se déclinant en plusieurs étapes. Certaines étapes faisant appel à des commandes et notions connues ne sont pas détaillées. Il est alors demandé de se reporter aux protocoles d’utilisation de l’outil « Cartographie géostatistique », de l’outil STREET ou de l’outil MAPINFO. Lorsque de nouvelles fonctionnalités des outils sont utilisées, des démarches pour l’application de ces nouvelles commandes ont été créées. Les 8 tâches, déclinées en étapes et nouvelles démarches sont :
• Choix des points non impactés
o Calcul de la distance entre chaque point et l’axe le plus proche sous MAPINFO
o Création de la sélection sous ISATIS.
Démarche « Comment créer une sélection géographique? »
• Interpolation, ajout de variables auxiliaires
o Création d’une nouvelle étude sous ISATIS.
Se reporter au protocole d’utilisation de l’outil « cartographie géostatistique »
• Calcul des concentrations de fond moyennes par axe
o Discrétisation des données poly-lignes en un chapelet de points sous MAPINFO.
Démarche « Comment discrétiser des données? »
o Import sous ISATIS du fichier de points.
Démarche « Comment importer un fichier de points ? »
o Elimination des doublons (points distants de moins de 5 m) sous ISATIS.
Démarche « Comment éliminer les doublons d’un fichier de points? »
o Interpolation de la pollution de fond sur chaque point du chapelet sous ISATIS.
Démarche « Comment interpoler une variable en un point? »
o Après interpolation, export des données depuis ISATIS vers Excel
o Calcul des moyennes par axe par lancement de la Macro sous Excel.
• Estimation de la pollution de proximité automobile
o Création d’une nouvelle étude sous STREET.
Se reporter au protocole d’utilisation de l’outil STREET
• Discrétisation des données STREET
o Association sous MAPINFO des données de concentration STREET à chaque axe modélisé.
o Discrétisation sous MAPINFO.
• Traitement des données de concentrations sur le chapelet de points
o Comparaison des concentrations STREET avec les concentrations de fond en chaque point, choix du maximum, sous ISATIS.
Démarche « Comment faire des opérations sur les variables? »
o Affectation à certains points du chapelet des valeurs PA, sous ISATIS.
Démarche « Comment faire migrer un ensemble de points? »
o Réévaluation des concentrations STREET sur l’ensemble des points par rapport aux données de mesures en proximité automobile. Krigeage avec Dérive Externe sur les mesures en PA avec comme variable auxiliaire les concentrations STREET et sans ajout de constante, sous ISATIS.
o Ajout au chapelet de points des points définis comme impactés lors de la première étape et retirés de la cartographie de fond, sous ISATIS.
Démarche « Comment fusionner deux fichiers Points? »
• Procédure d’interpolation: spatialisation des surconcentrations
o Calcul des surconcentrations sous ISATIS.
o Division de l’ensemble des points en deux populations représentant les valeurs faibles de surconcentrations et les valeurs élevées, sous ISATIS.
o Krigeage simple
Modèle de variogramme exponentiel de portée 50 m
Krigeage simple à moyenne constante connue mise à 0
• Somme de la cartographie de fond et de la cartographie des surconcentrations
o Remplissage des grilles de résultat au-delà de la portée des axes: mise à 0 des nœuds de la grille non impactés par les axes
Démarche « Comment remplacer sur une grille les points indéfinis par des 0? »
o Choix du maximum entre les faibles et fortes concentrations aux intersections des axes
o Somme de la concentration de fond et des surconcentrations
9 démarches sont ainsi recensées en annexe, sous forme d’index des démarches :
Sous ISATIS: Comment créer une sélection géographique? 6
Sous ISATIS: Comment éliminer les doublons d’un fichier de points 7
Sous ISATIS: Comment faire des opérations sur les variables? 12
Sous ISATIS: Comment faire migrer un ensemble de points? 12
Sous ISATIS: Comment fusionner deux fichiers points? 14
Sous ISATIS: Comment importer un fichier de points? 7
Sous ISATIS: Comment interpoler une variable en un point? 8
Sous ISATIS: Comment remplacer sur une grille les points indéfinis par des 0?
Sous MAPINFO: Comment discrétiser des données? 7
Cet index des démarches a été créé afin de faciliter la lecture et l’utilisation future du document. Des protocoles d’utilisation existent séparément pour les trois outils. Le protocole rédigé lors de ce stage correspond lui à une méthode globale de cartographie. Cependant, la mise en place de cette méthode a amené à une meilleure connaissance des trois outils et à l’utilisation de nouvelles commandes. L’existence de cet index des nouvelles démarches permet d’avoir accès rapidement aux nouvelles fonctionnalités rencontrées sous les trois logiciels. D’autre part, si une extension d’un des logiciels est achetée, ou encore si une nouvelle version apparait, certaines de ces démarches ne seront plus adaptées et pourront être facilement remplacées par de nouvelles fonctionnalités.
Conclusion
Les objectifs fixés au début du stage ont été atteints :
• Mise en place d’une nouvelle méthode de cartographie : adaptation de la méthode, maîtrise des outils, choix des paramètres;
• Rédaction du mode opératoire de la cartographie intégrant pollution de fond et proximité automobile pour le NO2 et le benzène.
Ce mode opératoire répond à des besoins d’AIRAQ : la réalisation de cartographies illustrant de manière plus complète le phénomène de pollution dans les agglomérations. Les cartographies obtenues permettent également une meilleure communication.
D’un point de vue personnel, ce stage a été enrichissant sur plusieurs niveaux :
• Il m’a permis de découvrir le travail dans le milieu associatif et dans une petite structure.
• J’ai eu l’occasion de découvrir et d’étudier le domaine de la géostatistique. Ces nouvelles connaissances ont été appliquées lors de la mise en place de la méthodologie ou lors de l’utilisation du logiciel ISATIS. Les applications de la géostatistique, notamment dans la cartographie, se révèlent être très intéressantes. La réalisation de cartes tient à la fois de la rigueur de la théorie géostatistique, et de l’expérience ou de l’instinct du géostatisticien qui conditionne la justesse des cartes lorsqu’il approche le variogramme expérimental par un modèle. Les cartes sont un outil de communication qui peut se révéler quelques fois dangereux, car mal interprété. Il est important de considérer que les cartes ne sont qu’une indication de la réalité, une très bonne illustration. En aucun cas la technique de krigeage ne peut servir à prévoir des dépassements de seuils.
• J’ai également pu lors de ce stage manipuler différents outils. J’ai notamment beaucoup travaillé sous MAPINFO. Ce travail sous SIG, ainsi que la découverte et l’appropriation de l’outil de géostatistique ISATIS ont été très enrichissants.
• Enfin, j’ai apprécié dans mon stage la partie concernant de développement d’une méthode.
Le développement s’est déroulé en plusieurs étapes. Dans un premier temps, il a fallu comprendre, s’approprier méthode et outils. Puis, l’étape d’adaptation, de recherche de nouvelles fonctionnalités s’est révélée très importante et motivante. Enfin, l’étape d’application de la méthode et de recherche des meilleurs paramètres m’ont permis de finaliser avec rigueur la validation de la méthode.
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Table des matières
I. PRESENTATION DU CONTEXTE DU STAGE
I.1. AIRAQ, ASSOCIATION MEMBRE DU RESEAU ATMO
I.2. LES MISSIONS D’AIRAQ
I.2.1. Le dispositif de surveillance
I.2.1.a. Moyens fixes de surveillance
I.2.1.b. Moyens mobiles de surveillance
I.2.2. Modélisation et prévision
I.2.2.a. A l’échelle régionale : prévision
I.2.2.b. A l’échelle locale : cartographie des niveaux de polluants
I.2.2.c. A l’échelle de proximité : pollution automobile
I.2.3. Mission d’information
I.2.3.a. Procédures d’alerte
I.2.3.b. Indices ATMO et indicateurs de la qualité de l’air simplifiés (IQA)
I.3. L’ORGANISATION A AIRAQ
II. PRESENTATION DU SUJET
II.1. CONTEXTE DE L’ETUDE
II.1.1. La cartographie des mesures de pollution de fond
II.1.2. Evaluer la pollution automobile le long des axes
II.1.3. Mission du stage : comment représenter à la fois pollution de fond et pollution de proximité automobile?
II.2. ELEMENTS DE BIBLIOGRAPHIE
II.2.1. Un peu de théorie sur la géostatistique
II.2.1.a. Présentation des méthodes d’interpolations classiques
II.2.1.b. Théorie géostatistique : principe du krigeage
II.2.1.c. Le variogramme : sa construction
II.2.1.d. Le variogramme : mise en place des équations linéaires permettant de calculer les pondérateurs
II.2.1.e. Quantification de l’incertitude
II.2.1.f. Intégration des informations indirectes
II.2.1.g. Les problèmes rencontrés et les limites du krigeage
II.2.2. Méthode de cartographie intégrant pollution de fond et de proximité : données bibliographiques
II.2.2.a. Principe de la méthode
II.2.2.b. Cartographie de la pollution de fond
II.2.2.c. Estimation des concentrations sur le réseau routier
II.2.2.d. Spatialisation des données de proximité routière
II.2.2.e. Cartographie finale
III. DEROULEMENT DU STAGE : MISE EN PLACE DE LA METHODE
III.1. PRISE EN MAIN DES OUTILS
III.1.1. Présentation des outils
III.1.1.a. MAPINFO
III.1.1.b. STREET
III.1.1.c. ISATIS
III.1.2. Flux de données entre les outils
III.2. DETAILS DE LA METHODE
III.2.1. Cartographie de fond
III.2.1.a. Choix des points non impactés
III.2.1.b. Interpolation, ajout de variables auxiliaires
III.2.2. Cartographie des surconcentrations
III.2.2.a. Estimation sous STREET des concentrations liées au trafic routier
III.2.2.b. Discrétisation des données STREET
III.2.2.c. Traitement des données de concentrations sur le chapelet de points
III.2.2.d. Procédure d’interpolation : spatialisation des surconcentrations
III.2.3. Cartographie finale
III.3. MISE EN PLACE DE LA NOUVELLE METHODE : ETAPES DE VALIDATION
III.3.1. Utilisation de nouveaux outils
III.3.1.a. Les nouvelles commandes
III.3.1.b. Mise au point de l’ outil de calcul des moyennes d’axes
III.3.2. Paramétrage
III.3.2.a. Deux paramètres : distance d’impact et portée
III.3.2.b. Réalisation du KDE : intégration d’une constante lors de la régression linéaire?
IV. RESULTATS : VALIDATION DE LA METHODE SUR 2 VILLES, PERIGUEUX ET AGEN
IV.1. MISE EN PLACE DES ETUDES
IV.1.1. Données de mesures
IV.1.1.a. Périgueux
IV.1.1.b. Agen
IV.1.2. Etude STREET
IV.1.2.a. Caractérisation de l’axe
IV.1.2.b. Données météorologiques
IV.1.2.c. Conditions de circulation
IV.1.2.d. Composition de la flotte
IV.1.2.e. Pollution de fond
IV.2. RESULTATS
IV.2.1. Validation de la méthode
IV.2.1.a. Meilleurs paramètres pour le polluant NO2
IV.2.1.b. Meilleurs paramètres pour le polluant benzène
IV.2.2. Les cartographies de pollution de l’air
IV.2.2.a. Pour le polluant NO2
IV.2.2.b. Pour le polluant benzène
IV.2.3. Mode opératoire
IV.2.3.a. Description du rendu
IV.2.3.b. Le protocole d’utilisation
IV.2.3.c. Démarche pour paramétrer au mieux
V. CONCLUSION
VI. ANNEXE I : MESURES DU NO2 ET DU BENZENE
VII. ANNEXE II : SCHEMA GENERAL DE LA METHODE DE CARTOGRAPHIE
VIII. ANNEXE III : COMPARAISON SUR LA CARTOGRAPHIE DU BENZENE DE L’INFLUENCE DE LA PORTEE
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