Extraction du réseau hydrologique à partir d`un MNT et utilisation du

Extraction du réseau hydrologique à partir d`un MNT et utilisation du

Actes des JSIRAUF, Hanoi, 6-9 novembre 2007
Extraction du réseau hydrologique à partir d’un MNT
et utilisation du SIG pour l’étude du bassin versant
Faiza HOCINE, Mostefa BELHADJ AISSA*,
A. HADDOUD, A. BELHADJ AISSA
Laboratoire de Traitement d’Images et Rayonnement, Faculté d’Electronique et d’Informatique, Université des
Sciences et de la Technologie Houari Boumediene (USTHB) Alger Algérie
Email : [email protected]
Abstract
Algeria, vast country, known for its mountainous chains is confronted with the problem of the flows
and the streaming of and the ponding rivers in the zones with strong depressions. One of the most
important aspects in the stock management out of water is the hydrographic network of the various
areas. In this context, work that we present in this communication registers in a methodological
approach of image processing satellite and extraction of hydrological networks of the basins slopes. In
the first step, we generated the Digital Terrain Model (DTM) starting from an interferometric couple
and calculated the parameters of geomorphometry. For the description of the behavior of the flows of
water, we determined, in the second step, the chart of the directions of the flows according to the D8
model, the chart of local and total drainage and the hydrological network. We proposed, in
continuation a procedure of simulation with various situations by modifying the quantity of
precipitations water.
Key words: Satellite images, MNT, hydrological parameters, catchments area, SIG, simulation.
Introduction
La gestion de la réserve en eau dans le monde est devenue actuellement une des
préoccupations majeures des scientifiques, des gestionnaires, des décideurs au plus haut
niveau gouvernemental. L’Algérie, pays vaste, connu pour ses chaînes montagneuses (l’atlas
tellien et l’atlas saharien) est confrontée aux problèmes des écoulements et des ruissellements
des cours d’eau qui se perdent dans la nature et aux problèmes d’accumulation des eaux de
manière optimale, dans les zones à fortes dépressions. Avec la diminution des précipitations
annuelles sur le pays, un grand nombre d’applications nécessitent une gestion des ressources
en eau, telles que la gestion de périmètres irrigués, le contrôle des crues et des inondations
pendant les fortes pluies occasionnelles, l’implantation de barrages collinaires pour lutter
contre la sécheresse, l’étude des zones à versants instables et à risque de glissement de terrain,
l’étude de l’érosion, etc. Ces préoccupations constituent des enjeux majeurs pour la
population tant sur le plan de la prévention des catastrophes que sur le plan de
l’indispensabilité de l’eau. Un des aspects le plus important dans l’obtention, la gestion et
l’exploitation des ressources en eau est le réseau hydrographique des bassins versants.
L’intensité et la densité des écoulements, dans un bassin versant, distribués dans l’espace et
dans le temps peuvent avoir deux impacts : un impact positif pour alimenter les réserves en
eau et un impact négatif s’ils se manifestent sous forme d’inondations et des écoulements
intenses.
Dans ce contexte, le travail que nous présentons dans cette communication s’inscrit
dans une démarche méthodologique de traitement d’images satellitaires et de cartographie des
paramètres topographiques et hydrographiques des bassins versants. En effet, le
développement de la technologie spatiale a permis une meilleure connaissance et une
exploitation efficace du cycle de l’eau par l’utilisation des images satellitaires optique et
radar. Ces images sont exploitées pour la génération de Modèles Numériques de Terrain par
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la technique interférométrique. La cartographie du réseau hydrographique à partir du MNT a
un double objectif à savoir: d’une part, la détermination des descripteurs de la topographie
(pentes, crêtes, vallées, etc.) des bassins versants et de leurs paramètres hydrologiques afin de
cartographier les zones de récupération des ruissellements pour une utilisation efficace et,
d’autre part, la modélisation synthétique de la géomorphologie des bassins versants pour une
meilleure connaissance sur l’occupation du sol. Cette modélisation permet de prévoir la
réponse des bassins versants à des évènements pluvieux et de connaître l’évolution au cours
du temps de ses caractéristiques d’écoulement. Pour une première validation, nous avons
appliqué notre processus sur les MNTs de la région d’Alger et d’El-Asnam.
Bassins versants et Réseau hydrologique
Le bassin hydrographique, ou bassin versant est l’élément essentiel dans toute étude
hydrologique associée à la topographie d’une région donnée. Il se définit comme une portion
de la surface terrestre à l’intérieur de laquelle les pentes topographiques amènent tout le
ruissellement qui s’y produit vers un seul et même exutoire. L’exutoire d’un bassin est le
point le plus en aval du réseau hydrographique par lequel passent toutes les eaux drainées par
le bassin. Dans un bassin versant, la topographie, ou l’ensemble de pentes définit la trajectoire
des écoulements et l’organisation du drainage ou réseau hydrographique, celui-ci dépend de
l’alimentation en eau. A cet effet, l’ensemble des cours d'eau, permanents ou temporaires, qui
participent à l'écoulement linéaire de la surface topographique représente le réseau
hydrologique qui est une des caractéristiques les plus importantes du bassin versant et peut
prendre une multitude de formes. La diversité du réseau hydrographique d'un bassin versant
est due à quatre facteurs principaux : la pente du terrain, la géologie, le climat et la présence
humaine [Xiaomin Che et al, 2004]. Dans ce contexte, nous nous intéressons à l’extraction
des paramètres topographiques permettant de cartographier le réseau hydrologique des bassins
versants. L’information de base pour le processus de traitement des bassins versants est le
relief. Ce relief est décrit par le Modèle Numérique de Terrain. Pour cela, la première étape
du travail que nous avons réalisé est la génération du MNT par interférométrie Radar ROS.
Interférométrie et MNT
Un Modèle Numérique de Terrain est une représentation numérique du terrain en termes
d’altitude. Il fournit des renseignements non seulement sur les formes du relief mais
également sur leur position. La pente et l’orientation sont obtenues à partir des dérivées
premières du MNT. Les dérivées secondes nous renseignent sur les courbures du terrain.
L’ensemble de ces informations représente les plans dérivés du MNT. La pente est une des
données fondamentales à partir de laquelle le réseau hydrographique sera déterminé. Les
procédés d’obtention des élévations sont divers : soit des levés sur le terrain, soit par
acquisition d’images aériennes ou satellitaires optiques et radar avec des prises de vue
stéréoscopiques. Ainsi les méthodes de génération des reliefs ou des MNTs varient en
fonction de la nature de l’information. Pour notre part, nous avons généré le MNT par
interférométrie radar, nous avons utilisé, pour cela un couple d’images Radar de type SLC sur
la région d’Alger. Les images sont acquises le 3 et 4 janvier 1996 par les satellites ERS1 et
ERS2 en tandem. Nous avons extrait une zone test située à l’Ouest d’Alger, la capitale. La
figure 1 représente l’image « amplitude » de la zone délimitée. C’est une zone côtière
marquée un terrain à fort relief. Nous avons généré, ensuite l’interférogramme correspondant.
Nous avons développé, à cet effet une procédure d’élimination des franges orbitales basée sur
la transformée de Fourier. Nous donnons, dans la figure 2 l’interférogramme corrigé où la
phase modulo 2π est proportionnelle à l’altitude de la cellule de résolution. Notons que la
résolution spatiale des images complexes, après les prétraitements géométrique et
radiométrique est de 27m x 27m. Le déroulement de phase, pour la restitution des altitudes
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relatives au pixel traité de l’interférogramme, a été réalisé par une approche mixte basée sur
les champs de Markov [Belhadj aissa et al,2004], nous avons développé cette méthode avec
différents traitements de détection des contours des franges et d’analyse de connexité pour
éliminer leurs coupures. La figure 3 représente le MNT généré par la procédure de
déroulement de phase. Pour sa validation, avant son utilisation dans le processus d’extraction
du réseau hydrologique nous l’avons comparé au MNT, pour la même région, obtenu par la
mission SRTM3 de résolution « 3 secondes ». Les figures 4 et 5 représentent, respectivement
le MNT Interférométrique et le MNT de SRTM3.
Processus d’extraction du réseau hydrologique
Les techniques d’extraction de réseau à partir d’un MNT raster se décomposent,
essentiellement en deux approches: celles qui reposent sur une analyse géomorphologique par
caractérisation locale des variations altimétriques et celles à inspiration hydrologique en se
basant sur le suivi du ruissellement de l’eau.
Dans la première approche, plusieurs méthodes ont été développées (Charleux-Demargne
Julie, 2001) basées sur la morphologie du terrain, les paramètres descripteurs de la géométrie
du voisinage, l’étude des profils, etc.. Un inconvénient majeur de ces méthodes est la
représentativité relative des maxima et minima locaux. Le réseau hydrologique extrait par ces
méthodes est fragmenté et présente des discontinuités le rendant inexploitable pour des
applications ultérieures. Quant aux méthodes de la deuxième approche, elles retiennent le
principe d’un cheminement naturel des eaux entraînées par la gravité et guidées par la
topographie. Elles s’appuient sur la détermination des directions d’écoulement de l’eau en
chaque cellule de résolution ou pixel à partir des valeurs altimétriques du MNT, sachant que
l’eau emprunte le chemin défini par la ligne de plus grande pente. Ainsi les cellules se
déversent les unes dans les autres en fonction de la pente locale et de ceci un ensemble
cohérent de talwegs principaux pourra être déduit.
Nord
Nord
Mer méditerranée
Figure 2: Interférogramme
Figure 1 : Amplitude de
corrigé
l’image SLC du 4 janvier 1996
Figure 3: MNT
interférométrique de la
région d’Alger
Nord
Mer
Figure 5: MNT
généré par SRTM3
Figure 4: MNT en 3D
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Génération des
directions d’écoulement
Fichier MNT
Pour notre part nous avons développé un processus d’extraction du réseau hydrologique basé
sur une analyse hydrologique qui utilise le MNT. Les étapes de traitement que nous
proposons sont schématisées par l’organigramme fonctionnel donné par la figure 6.
Carte de
Drainage local
et global
Localisation
des zones
plates
Réseau
Hydrographique
discontinu
Traitement des
zones plates
Carte de
Drainage global
Localisation
des zones de
depression
Comblement
des dépressions
Réseau
Hydrographique
Figure 6 : organigramme général du processus d’extraction du réseau hydrologique
Génération des directions d’écoulement
La première étape du processus est l’extraction des directions d’écoulement. Nous avons,
pour cela, développé une procédure basée sur l’exploration du voisinage immédiat correspond
aux 8-connexités. L’algorithme permet de calculer les descentes altimétriques entre les
altitudes du pixel central et ses pixels voisins et localiser le pixel (ou cellule de résolution)
correspondant à la descente maximale. Les directions d’écoulement qui pointent vers les
cellules correspondant aux descentes altimétriques maximales forment l’image des plans
d’écoulement. A partir de ce résultat, nous avons extrait le réseau hydrologique en appliquant
l’algorithme de drainage qui consiste à calculer le nombre de pixels voisins se déversant à
l’intérieur du pixel central (cellule centrale). Notons que la valeur d’un pixel est l’altitude
moyenne d’une unité surfacique représentée par une cellule de résolution. Selon la qualité du
MNT, ce réseau peut présenter des discontinuités comme le montrent les zones encerclées sur
la figure 9. Afin de corriger ces artefacts, nous avons mis au point des algorithmes de
traitement des zones plates et les dépressions présentes dans le MNT.
Traitement des dépressions et des zones plates
Afin de pallier aux problèmes des discontinuités des chemins d’écoulement des eaux causées
par les dépressions et les zones plates, nous avons traité le MNT en comblant les dépressions
qui piègent l’eau et en forçant l’eau à s’écouler dans une même direction à l’intérieur des
zones plates. Pour ce faire, nous avons déterminé, dans un premier niveau, les minima locaux
par comparaison de l’altitude de chaque cellule à celles de ses huit voisines puis à celles de
ses 24 voisines. A partir de l’image des minima locaux, nous avons cherché, dans un second
niveau, les cellules adjacentes de même altitude formant les zones plates. Pour extraire les
dépressions, nous comparons l’altitude de chaque zone à celle de son contour. Si tous les
pixels constituant ce dernier sont à altitude plus élevée que la zone elle-même, celle-ci est une
dépression. Dans le cas contraire c'est-à-dire s’il existe au moins un pixel du contour au-
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dessous de la zone, celle-ci est une zone plate. Par la suite, nous avons modifié le MNT par le
comblement des dépressions à l’altitude de l’exutoire. Ce traitement engendre la formation de
nouvelles zones planes artificielles qui seront traitées avec les zones plates naturelles. Pour
ces zones plates, nous avons affecté des directions d’écoulement à la droite joignant l’amont à
l’aval présumé de chaque zone, puis on a forcé toutes les cellules de la zone à se déverser
dans cette même droite. Après ces étapes de traitement, nous avons appliqué l’algorithme de
drainage et extrait le réseau hydrologique. L’ensemble des algorithmes développés dans ce
processus constitue un outil logiciel que nous avons appelé « FOUGARA». Nous présentons
quelques résultats après traitement des MNT. Nous donnons dans les figures 7, 8, 9, et 10 les
cartes d’écoulement issues des MNTs de la région d’El-Asnam ainsi que le réseau
hydrologique avant et après le traitement des dépressions et des zones plates. Les figures 11 et
12 représentent les images de drainage local et le réseau hydrologique de la région d’Alger.
SIG et Simulation
Les principaux objectifs de la simulation sur le bassin versant sont essentiellement : les
préventions du comportement de ce dernier aux pluies torrentielles, l’étude des effets de
l’érosion et le transport de la matière sur la structure des bassins versants particulièrement
ceux qui alimentent les barrages, l’impact des glissements de terrain sur la topographie du
bassin versant et l’estimation du débit du bassin versant alimentant les oueds, en particulier
dans les zones sahariennes. Les procédures de simulation sont conditionnées par les données
multisources telles que les données géologiques, les données météorologiques, les données
géomorphologiques, etc . Nous avons abordé cette partie du processus par l’intégration des
différentes couches dans une base de données et ensuite nous avons utilisé la carte du
drainage global pour estimer la quantité l’eau avec l’hypothèse d’absence d’infiltration du sol.
Figure 9: Réseau hydrologique
avant le traitement
Figure 8: Image des
plans d’écoulement de
la région d’El-Asnam
Figure 10: Réseau hydrologique
après traitement des zones plates
et des dépressions
Figure 11 : Image de drainage
local de la région d’Alger
Nord
Figure 7 : MNT de la
région d’El-Asnam
Figure 12: Réseau
hydrologique en 3D de la
région d’Alger
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Conclusion
La difficulté fondamentale dans l’extraction du réseau hydrologique réside dans la
représentativité du relief réel par le modèle numérique de terrain. Bien que le traitement des
zones plates et les dépressions a amélioré la qualité du MNT pour cette application, le réseau
présente toujours des discontinuités non réalistes des cours d’eau. Par ailleurs, la localisation
des zones d’émergences des rivières et le choix du seuil, lors de l’extraction du réseau
conditionnent aussi la qualité du réseau. L’évaluation, par des thématiciens, des résultats
obtenus par l’outil logiciel que nous avons développé nous aidera à définir des procédures de
simulation plus adaptées aux besoins des utilisateurs.
Bibliographie
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interférométrique opérationnel pour la génération d’un modèle numérique de terrain Appliqué au
couple d’images ERS-1 ERS-2 sur la région d’Alger. Xes Journées Scientifiques du Réseau
Télédétection de l'AUF, Ottawa.
Charleux-Demargne Julie, 2001 : Qualité des Modèles Numériques de Terrain pour l’hydrologie.
Application à la caractérisation des crues des bassins versants. Thèse de Sciences de l’Information
Géographique, Université de Marne la Vallée, France.
Lawrence W. Martz , Jurgen Garbrech, 1998: The treatment of flat areas and depressions in automated
drainage analysis of raster digital elevation models The treatment of flat areas and depressions in
automated drainage analysis of raster digital elevation models. Hydrological process, volume 12, issue
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Xiaomin Che et Sequeira Jean, 2004 : Extraction du réseau hydrographique à partir du Modèle
Numérique de Terrain. Rapport du laboratoire L S I S (UMR-CNRS 6168).
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