SIG en milieux aquatiques

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SIG en milieux aquatiques

IMACOF – mars 2010 Heri ANDRIAMAHEFA

Objectifs

   

Jour1 AM : Prise en main d’ARCVIEW9 Jour1 PM : Prise en main de SPATIAL ANALYST - les Modèles Numériques de Terrain

Jour2 AM : Prise en main de ARCHYDROTOOLS les Modèles hydrologiques et hydrauliques Jour2 AM : Suite matinée – les modèles morphologiques Jours SUIVANTS : Trois grands axes :

→ Variables morphologiques  tracé du réseau théorique, bassin-versant, écoulement → zone inondable potentielle  Buffer by rise → Zone d'érosion potentielle

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Projets

Acquisition des données

Vulnérabilité à l'inondation

Vulnérabilité à l'érosion

Production de pollution

Potentialité paysagère (?)

Prise en main d'ARCGIS (Spatial Analyst, ArcHydroTools)

Constitution des bases de données SIG États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Acquisition des données

Digitalisation

→ Occupation des sols, Pédologie, Géologie, Hydrographie, route, pont 

Intégration des données

→ MNT, INSEE, Corine, 

Création des donnés

→ Pente, hydrographie

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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SIG en milieux aquatiques

Rappel Heri ANDRIAMAHEFA

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Architecture ARCGIS États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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ArcGIS Extensions classiques

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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ArcGIS Extensions classiques États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Échelles et objets géographiques

Taxinomie des entités emboîtées 3 thèmes majeurs

– les structures physiques naturelles, – les structures ou «réponses» biologiques, – les modifications ou «pressions» anthropiques.

3 échelles principales :

– l’échelle macro ou «bassin versant» – l’échelle locale ou «tronçon» – l’échelle ponctuelle ou «habitat»

3 objets géographiques d’intégration

– le bassin versant, unité surfacique ; – le tronçon, unité linéaire.

– l’habitat, unité ponctuelle

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Échelles et objets géographiques États des eaux Zone d'étude 1.4 km!

Mis à-jour : mars 2010

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Echelles et objets géographiques États des eaux 50cm OrthoPhoto Mis à-jour : mars 2010

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Tronçon

Longueur de rivière considérée comme une et une seule entité hydrologique

• Exemple: une longueur de rivière entre deux confluences • Representé par une polyline dans un "shapefile" ou "couche“ vectorielle

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Lacs

un volume d’eau ayant une surface plane.

• Largeur significative comparée par rapport à la longueur. • Exemples: Lac, étangs, reservoires, estuaires, baies. • Representé par un polygone dans un "shapefile" ou "couche“ vectorielle.

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Réseau hydrographique

Réseau de drainage Representé par une “couche “ vectorielle, comprenant spécifiquement des polylines pour chaque objet. Les tables attributaires donnent les informations cconcernant les liens amont aval de chaque arc.

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Bassin versant

Ligne de crêtes

.

Exutoire Contour fermé topographiquement

• Representé par une couche vectorielle de polygone • Associé à un exutoire

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Sous bassin versant

Différence scalaire Un bassin versant à l’intérieur d’un autre Associé à un exutoire

.

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Bassin versant unitaire

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Zones hydrographiques

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Modèle de données

Système Drainage Réseau Hydro Flux, Débit Temps Series Chrono Caractéristiques Hydro États des eaux Système Vallée Mis à-jour : mars 2010

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Modèle de données

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Spatial Analyst et raster

Heri ANDRIAMAHEFA

Données

MNT / BD Alti (50m*50m)

BD Carthage

BD Hydro

Cartes géologiques

Orthophoto aériennes

Images satellites États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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SIG - Raster

Structure des objets Résolution Nombre de lignes NODATA pixel (X,Y) Nombre de Colomnes États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Modèle Numérique de Terrain (MNT) Digital Elevation Model (DEM)

67 56 49 46 50 53 44 37 38 48 58 55 22 31 24 61 47 21 16 19 53 34 12 11 12 États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Cellule, Pixel, Grid, Grille, Résolution

Taille pixel

67 56 49 46 50 53 44 37 38 48 58 55 22 31 24 61 47 21 16 19 53 34 12 11 12

50

(valeur pixel) pixel

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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SIG - Raster

       

Format, Importation, exportation Pentes des versants Contour Aspect Orientation Relief Visibilité Autres méthodes

dz dy dz dx

Mis à-jour : mars 2010

atan   dz dz / / dx dy  

États des eaux

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Standard Slope Function

a d g b e h i c f

États des eaux

dz dx  (a  2d  g) (c  2f  i) 8 * x_mesh_spa cing dz dy  (a  2b  c) (g  2h  i) 8 * y_mesh_sp acing rise run  dz dx 2    dz dy   2 deg  atan rise run

Mis à-jour : mars 2010

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2. Calculate the slope at grid cell labeled A using (i) The standard slope function 57 53 53 51 55 55 a 67 d 52 g 58 39 47 b 56

e

h 48 40 38

A

i 48 c 49 f

39

42 38 48 52 37

39

43 40 36 50 54 39 38 53 42 38 38 38 dz dx dz   (a  2d  g) (c  2f  i) 8 * x_mesh_spa (55  2 * 67  52) cing (48  2 * 49  39) 8 * 100 dx dz dx dz dy  dz dy  0 .

07  (a  2b  c) (g  2h  i) 8 * y_mesh_sp acing (55  2 * 47  48) (52  2 * 48  39) 8 * 100 dz dy  0 .

125 0.07 0.125 0 .

07 2  0 .

125 2  0 .

145 atan(0.125/0.07) = 60.75

o + 90 = aspect of 150.75

o

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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ARCHYDROTOOLS et TauDEM

Heri ANDRIAMAHEFA

ARCHYDROTOOLS et TauDEM

ARCHYDROTOOLS Pr MAIDMENT http://www.ce.utexas.edu/prof/MAIDMENT/ http://www.crwr.utexas.edu/gis/archydrobook/Archydro.htm

http://www.crwr.utexas.edu/giswr/hydro/ArcHOSS/index.cfm

TauDEM Pr TARBOTON http://www.engineering.usu.edu/cee/faculty/dtarb/ http://hydrology.neng.usu.edu/taudem/ États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Logiciels et extensions

ArcHydroTools États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Modèle de données

Mis à-jour : mars 2010

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Modèle de données

Graphic courtesy of Maidment et al., ArcHydro team

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Fonctions

Enfoncement, Burning

Fill

Flow Direction

Flow Accumulation

Basin / Drainage / Watershed / Outlet

Stream / Network États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Enfoncement

Burning ou recoditionning États des eaux + = Mis à-jour : mars 2010

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Fill

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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La pente (slope) - hydrologique

Méthode de la ligne de la plus grande pente

30 30

67 56 49 67 56 49 52 48 37 52 48 37 58 55 22 58 55 22

Pente: 67  48 30 2  0 .

45 67  52  0 .

50 30

Mis à-jour : mars 2010 États des eaux

40

(ii) The 8 direction pour point model 57 53 53 51 55 47 48 48 67 52 58 56

A

49 48 40

39

42 52 40 50 54 37

39

43 39 53 42 38 38 S  56  39 100 2  0 .

1202 55 39 38 38 36 38 38

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Sens d'écoulement États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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FlowDirection

Sens d'écoulement (Dhuit vs. Dinf.) 32 64 128 16 1 8 4 ESRI encodage 2 4 5 3 2 1 6 7 8 Band/GRASS/TARDEM encodage États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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(ii) The 8 direction pour point model 57 53 53 51 55 47 48 48 67 52 58 56

A

49 48 40

39

42 52 40 50 54 37

39

43 39 53 42 38 38 S  56  39 100 2  0 .

1202 55 39 38 38 36 38 38

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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FlowDirection

Flow Direction Grid

2 1 128 1 2 2 2 1 1 1

→ Sens d'écoulement (infini)

États des eaux Mis à-jour : mars 2010 4 4 2 4 1 4 8 4 4 2 8 4 8 4 16

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5 4

The D

Algorithm

Steepest direction downslope 3 0 2  2  1 1   1  atan   e 1 e 0   e 2 e 1   6 7 8 S  e 1   e 2  2  e 0   e 1  2 Tarboton, D. G., (1997), "A New Method for the Determination of Flow Directions and Contributing Areas in Grid Digital Elevation Models," Water Resources Research, 33(2): 309-319.) (http://www.engineering.usu.edu/cee/faculty/dtarb/dinf.pdf)

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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57 53 53 51 (iii) The D  method 55 67 52 58

États des eaux

47 56

A

49 48 40 48 48 52 This does not fit in the triangle so the angle chosen is along the diagonal with slope same as D8, i.e. S  56  39 100 2  0 .

1202 50 54

39

37

39

43 42 40 39 55 39 38 38 36 38 3 2 4 53 0 5 1 42 38  1  2 6 8 7 38 38  1  1   atan   atan e 7 e 0  e 8  e 7 48  39 56  48    48 .

3 o S  S 

Mis à-jour : mars 2010

e 7   e 2 48  39 100 2  2  e 0  e 1  2 56  48 100 2  0 .

1204 47

Constitution du réseau

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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FlowAccumulation

Détermination des cellules amont 1 1 1 1 1 4 1 1 1 3 1 3 12 2 6 1 3 1 16 25 1 1 2 1 2

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 3 3 3 1 12 2 6 25 16

Surface Drainage > 5 pixels États des eaux Mis à-jour : mars 2010

1 1 2 1 2 49

100 grid cell constant support area threshold stream delineation 1 0 1 Kilometers Constant support area threshold 100 grid cell 9 x 10E4 m^2

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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200 grid cell constant support area based stream delineation 1 0 1 Kilometers constant support area threshold 200 grid cell 18 x 10E4 m^2

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Stream Segmentation

1 1 2 1 2 3 3 4 4 4 4 4 3 5 6 6 6 5 5 5

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Delineation of Channel Networks and Subwatersheds États des eaux

500 cell theshold

Mis à-jour : mars 2010

1000 cell theshold 53

Quelques variables

Morphologiques

→ Largeur fond de vallée, Trace du fond de vallée → Pente du cours d’eau, pente de la vallée → Sinuosité du cours d’eau, de la vallée 

Hydrologiques

→ Indice topographique → Flow path (max) 

Zones humides

→ Indice de Kirkby (Wetness Index) → Fill Inverse

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Zone d'inondation potentielle

Elévation du cours d'eau au dessus du fond de vallée États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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1) rivière extract_rawd4 Value

125 - 127 127 - 129 129 - 131 131 - 133 133 - 135 135 - 137 137 - 139 139 - 141 141 - 143 143 - 169

2) MNT 3) Altitude rivière ; si (riv exist,MNT,0)

125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139

4) Allocation euclidienne du 3 (cf diapo suivant) 5) MNT du 2 – Allocation du 4 États des eaux 6) Sélection des pixels < au seuil ex:2 Value

-8 - -2 -2 - 2 2 - 7 7 - 12 12 - 17 17 - 22 22 - 27 27 - 32 32 - 39

Mis à-jour : mars 2010

56 0 1

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Logiciels et extensions

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Logiciels et extensions

CRWR PREPRO V.2

Digital Elevation Model Stream Map ArcView-based preprocessor for HEC-Hydrologic Modeling System (HEC-HMS) Control point locations Soil and Land Use Maps HMS Basin File Mis à-jour : mars 2010

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États des eaux

Flow Direction États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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FlowAccumulation

Détermination des cellules amont 1 1 1 1 1

1 1 1

1 1 1 1 4 1 1 3 3 12 2 6 3 1 16 25 1 2 1 2

1 1 1 1 1 1 1 4 3 3 3 1 12 2 6 25 16

Surface Drainage > 5 pixels

1 1 2 1 2

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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ARCVIEW et morphologie

Heri ANDRIAMAHEFA

Méthodes - Variables

Les variables calculées

→ 1. Largeur du fond de vallée → 2. Altitudes (amont aval de chaque tronçon) → 3. Distance à la source (PK amont-aval, PK aval amont) → 4. Pente des cours d’eau → 5. Pente vallée → 6 Sinuosité → 7. Rang de cours d’eau (3 méthodes : Strahler, Schreeve, Scheiddegger) → 8. Taille du bassin versant

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Méthodes - Variables

Les variables dérivées

→ 9. Largeur cours d’eau → 10. Rapport Largeur du fond de vallée par Largeur cours d’eau → 11. Q2 Q2 spécifique (débit de fréquence de retour de 2 ans) → 12. Puissance puissance spécifique

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Méthodes – Outils & calculs

Utilisation des programmes SIG spécifiques

→ Basé sur ArcView et Spatial Analyst

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Résultats – Typologie 1

Niveau I : largeur fond de vallée États des eaux Mis à-jour : mars 2010

66

Résultats – Typologie 1

Niveau I : largeur fond de vallée États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Résultats – Typologie 1

Niveau I : largeur fond de vallée États des eaux

5 Classes de largeur FdV: 0-500 m 500-1000m 1000-5000m > 5000m

Mis à-jour : mars 2010

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Résultats – Typologie 1

Niveau I : largeur fond de vallée États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Résultats – Typologie 1

Niveau I : largeur fond de vallée

Tronçon i+1 Tronçon i Marne : 515 km 170 tronçons 3 km de moyenne

États des eaux Niveau I : SECTORISATION (Unités Spatiales d’Intégration) Mis à-jour : mars 2010

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Résultats – Typologie 2

Sinuosité

Longueur développée du cours d’eau = -------------------------------------------------- Longueur développée de la vallée

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Résultats – Typologie 2

Sinuosité États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Résultats – Typologie 3

Pente de la vallée États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Résultats – Typologie 2

Rang des cours d’eau

→ Strahler → Schreeve → Scheiddegger 

Notion de taille de cours d’eau États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Résultats – Typologie 2

Rang des cours d’eau États des eaux Strahler Mis à-jour : mars 2010 Schreeve

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Résultats – Typologie 2

Taille des bassins versants

→ MNT 

Largeur estimée du plein bord L pb = 0.4043 T bv ^0.9827

R 2 = 0.86

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Résultats – Typologie 2

Taille des bassins versants – Largeur estimée TRONCON 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 États des eaux 100 200 300 Largeur estimée Mis à-jour : mars 2010 400

?

500

77

600

Résultats – Typologie 2

Largeur estimée États des eaux

5 Classes de largeur : 0-10 m 10-50m 50-100m 100-250m 250-450m

Mis à-jour : mars 2010

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Résultats – Typologie 2

Amplitude de divagation 3 Classes d’amplitude : < 5*largeur 5-12*largeur >12*largeur États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Résultats – Typologie 2

Taille des bassins versants

Débit du plein bord # Q2 Q 2 = 0.6227 T bv ^ 0.698

R 2 = 0.96

Mis à-jour : mars 2010

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États des eaux

Résultats – Typologie 2

Débit de plein bord TRONCON 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 100 200 300 Q2 estimée Mis à-jour : mars 2010 400 États des eaux 500 600

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Résultats – Mobilité 1

 Puissance spécifique (W. m-2) = φ*g*Q 2 *Pente / Larg φ est la masse volumique de l’eau (1000 kg.m

-3 ), g l’accélération de la gravité (9.8 m.s

-2 ),

Puissance moyenne Forte > 35 W/m 2 Faible < 35w/m 2 Caractéristique du tronçon

Capacité du chenal à éroder ses berges* Incapacité du chenal à éroder ses berges 1

Score Code couleur États des eaux

5

Mis à-jour : mars 2010

82

Résultats – Mobilité 1

 Amplitude de divagation : Fond de vallée / Largeur

Amplitude de divagation Caractéristique du tronçon > 20

Très large plaine alluviale

>10 <10

Large plaine alluviale Plaine alluviale restreinte 5 3 1

Score Code couleur États des eaux Mis à-jour : mars 2010

83

Résultats – Mobilité 1

 Pente de la vallée

Pente moyenne de vallée Caractéristique du tronçon Score Code couleur États des eaux > 0.5

°% < 0.5

°%

Possède une énergie suffisante pour mobiliser les sédiments Ne possède pas une énergie suffisante pour mobiliser les sédiments 5 1

Mis à-jour : mars 2010

84

Résultats – Mobilité 1

 Sinuosité

Indice de sinuosité Caractéristique du tronçon X < 1.05

Chenal rectiligne à berges peu cohésives

1.05 < X < 1.5

1.5 < X

Chenal sinueux à berge semi cohésives Chenal rectiligne à berges peu cohésives

Score Code couleur États des eaux

5 3

Mis à-jour : mars 2010

1 85

Résultats – Mobilité 1

Activité potentielle du tronçon Caractéristique du tronçon Actif Moyennement actif Non actif

Fort intérêt à instaurer le concept d'espace de liberté Intérêt à instaurer le concept d'espace de liberté Peu d'intérêt à instaurer le concept d'espace de liberté > 15 15 > X > 10 < 10

États des eaux Score Code couleur Mis à-jour : mars 2010

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Résultats – Mobilité 1

Intérêt à instaurer le concept d'espace de liberté Peu d'intérêt à instaurer le concept d'espace de liberté Fort intérêt à instaurer le concept d'espace de liberté États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Morpho écologie

Couplage Pente * Largeur * T ° Eau

→ Zonation Huet (etc.)

Altitude Distance à la source Température de l’air États des eaux Mis à-jour : mars 2010

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Perspectives

Granulométrie Berges Fonds États des eaux Mis à-jour : mars 2010

89

Perspectives

États des eaux Mis à-jour : mars 2010

90