LiDAR "hydrographique" : principes physiques et applications

[Departement_IRSTEA]DS [TR1_IRSTEA]METHODO / SYNERGIEL'application de levés laser aéroportés de type « range finder » sur des surfaces imergées, marines ou continentales s'effectue suivant une technique LiDAR, appelée hydrographique ou bathymétrique. Cette technique est mobilisée essentiellement dans le cadre de levés bathymétriques des zones littorales et quequefois dans le cadre de levés bathymétriques et topographiques d'eaux continentales: lacs et rivières. Plus rarement, cette technique est utilisée pour caractériser le fonds marin (reflectance du laser par le fond), la surface de l'eau (caractérisation des vagues, altimétrie du niveau de l'eau) ou la colonne d'eau (algues, composition de la colonne d'eau). Cette présentation est réalisée en deux temps: dans un premier temps on présente les principes physiques de la mesure du LiDAR hydrographique, notamment ses différences par rapport au LiDAR « terrestre » puis les ordres de grandeurs sur le précisions, résolutions et limites de ces mesures pour les 4 systèmes existants. On présente ensuite une application de cette technique dans le cadre de campagnes bathymétriques de zones littorales bretonnes réalisées pour l'IFREMER en 2005 et 2006. On dicutera alors des conidérations pratiques pour la planification de ce type de levé. La technique LiDAR hydrographique s'appuie sur un laser vert (532 nm), longueur d'onde qui a le plus grand pouvoir de pénetration de l'eau dans le visible. Dans le cadre de levés bathymétriques, le principe des mesures des hauteurs d'eau (bathymétrie) est le suivant : le pulse laser vert émis depuis le vecteur (avion, hélicoptère) est pour partie réfléchi par la surface de l'eau et, lorsqu'il n'est pas complétement diffusé par la colonne d'eau, réléchi par le fond de l'eau. La mesure de hauteur d'eau est alors déduite du temps entre les deux echos marquant la surface et le fond de l'eau sur le train d'ondes retour du pulse laser. Ici, la particularité est de tenir compte pour les calculs de distances via les durées séparant les échos laser des différences de vitesses de la lumière dans l'air et dans l'eau. Géométriquement, les phénomènes de réfraction à l'interface air/eau interviennent. De ce fait, le positionnement dans le signal de la surface de l'eau est une composante importante de la qualité des estimations topographiques (surface de l'eau, côte du fonds) ou bathymétriqe (hauteur d'eau). Pour améliorer ces estimations et la positionnement altimétrique de la surface de l'eau, un laser PIR (1064 nm) est généralement couplé au laser vert, pulse laser réfléchi par la surface. Sur un des quatre systèmes LiDAR hydrographiques à ce jour, on utilise également pour positionner la surface de l'eau le rayonnement de Raman, phénomène crée par le laser vert à l'interface air-eau. Cette technique présente cependant des limites fortes: elle n'est pas applicable à des eaux chargées (profondeur maximale atteinte de l'ordre de 3 fois la distance de Secchi), des eaux profondes (supérieure à 60 m) et a contrario ne peut permettre de détecter des eaux peu profondes (inférieures à 50 cm). Elles permettent de réaliser des mesures bathymétriques à des densités importantes (2 * 2m) et relativement précises (0.25 m). En 2005 et 2006, trois sites littoraux bretons ont été levés pour l'IFREMER suivant cette technique par le capteur européen HawkeyeII. Ce sont respectivement, les Abers, les Glénans et le Trègor. Ils présentent chacun des caractéristiques géomorphologiques, hydrodynamiques et biologiques différentes les unes des autres, telles que le rapport entre la terre et l'estran, la nature du fond, la turbidité, la présence des algues. Ces caractéristiques et les conditions météorologiques (brouillard, vent...) influent généralement sur la stratégie de levé, le plan de vol et bien sûr, sur la qualité des données. En conclusion, l'application de cette technique LiDAR pose plusieurs questions méthodologiques: 1- Pour le transfert de cette technique en rivière, quelle est la limite de mesure, suivant le système, des hauteurs d'eau très faibles ? Quelles sont les influences sur cette limite des caractéristiques du milieu, notamment pour les rivières, la nature de la surface de l'eau (pente, rugosité) ? Quelles sont pour les eaux littorales, les influences de la composition de la colonne d'eau, des algues, de la nature du fond ? Enfin, pour les applications littorales comme en rivière, quelles sont les influences surla qualité des mesures des conditions d'acquisition des levés (humidité, vent) et la complémentarité aux autre techniques de levés topographiques et/ou bathymétriques