Extraction d’informations topographiques et hydrologiques à partir d’un modèle numérique de terrain – Cas pratique sur le MNT du projet Desert Networks

Par Louis Manière, ingénieur d’étude, responsable de la création du SIG du projet Desert Networks (CNRS, HiSoMA, Lyon)

L’un des objectifs du projet ERC Desert Networks est la compréhension et la reconstitution des itinéraires antiques qui ont permis aux anciens de traverser le désert Oriental égyptien du Nouvel Empire à la fin de l’époque romaine. Cela nécessite de prendre en compte l’environnement dans lequel ces traversées ont été entreprises : le degré d’une pente, la possibilité de suivre ou non le fond de vallée sablonneux d’un wadi ou l’existence ou au contraire l’absence d’un passage facile entre des crêtes. Ces facteurs, selon que l’on était à pied, à dos de cheval ou accompagné par une caravane de chameaux, en petit groupe ou au sein d’une vaste expédition, devaient en effet être déterminants dans le choix des itinéraires par les voyageurs.

Pour intégrer ces données environnementales à nos réflexions, un MNT1 du désert Oriental égyptien a été créé et des traitements réalisés pour attribuer des paramètres topographiques et hydrologiques à chaque pixel qui le constitue.

L’objectif de ces traitements était d’obtenir les résultats suivants :

  • Des vecteurs2 des courbes de niveau à des intervalles de 100 m et 20 m ;
  • Des rasters des pentes (inclinaison et orientation) de même résolution que le MNT ;
  • Un raster de représentation du relief par ombrage ;
  • Un vecteur du trait de côte de la mer Rouge ;
  • Des vecteurs du réseau hydrographique et des bassins versants en fonction de leur ordination de Strahler (Strahler, 1957) ou de la taille du plus petit du bassin versant souhaité.

Il a paru utile de décrire ici précisément les étapes de ces traitements et les premiers résultats obtenus, pour ainsi présenter les méthodes d’acquisition des données environnementales qui seront prises en compte dans nos futures analyses. Ce billet a aussi une ambition méthodologique et espère pouvoir donner un cadre et/ou des conseils pratiques aux chercheurs ou étudiants qui souhaiteraient reproduire les étapes décrites ici, qu’ils soient archéologues, géographes, ou tout autre spécialité nécessitant d’utiliser des outils de SIG.


Afin de profiter d’un maximum d’outils de traitement, trois logiciels de système d’information géographique (SIG) ont été utilisés :

  • ArcGIS 10.5 logiciel propriétaire
  • QGIS 3.4 logiciel libre
  • SAGA GIS 2.3.2 logiciel libre

Pour assurer l’interopérabilité des données entre les logiciels, le format des données rasters est le TIFF et le format des données vecteurs est le shapefile.

Au départ du processus, les données disponibles pour la réalisation de l’ensemble des traitements étaient :

  • Un fond de carte topographique au 1:50 000e géoréférencé sur toute la zone d’étude, soit environ 90.000 km2 (Egyptian General Survey Authority, 1989).
  • Le MNT ASTER Global Digital Elevation Map Announcement d’une résolution de 30 m (https://asterweb.jpl.nasa.gov/gdem.asp).
  • Le MNT Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) d’une résolution de 30 m (https://www2.jpl.nasa.gov/srtm/).
  • Un MNT SRTM 1 seconde d’arc retraité par ATDI d’une résolution de 25 m.

L’ensemble des données d’entrées et les résultats sont ici présentés dans la référence spatiale WGS84 UTM36N (EPSG 32636)3.

1.   Choix du MNT

Des trois MNT à notre disposition pour effectuer les traitements, le MNT SRTM 1 seconde d’arc retraité par ATDI a une résolution un peu plus élevée que les deux autres. Toutefois, le choix de son utilisation pour effectuer les traitements nécessitait la vérification de la qualité et de la cohérence des altitudes du MNT avec celles des cartes topographiques dont nous disposions et la comparaison de celles-ci avec les altitudes données par les deux autres MNT. Cette vérification a été réalisée par comparaison des valeurs des MNT à un jeu de données de contrôle issu des cartes topographiques.

Étapes :

  • Création des points de contrôle de l’altitude à partir des points côtés des cartes topographiques 1:50 000e (figure 1).
Figure 1 – Points de contrôle des cartes topographique 1:50 000e (n=245) (© ERC Desert Networks, Louis Manière, 2019)
  • Extraction des altitudes des trois MNT au niveau des points de contrôle (ArcGIS 10.5 outil « Extraction de valeurs multiples vers des points »).
  • Comparaison des altitudes par rapport aux points de contrôle (figure 2).

Figure 2 – Écarts en valeur absolue entre les points de contrôle des cartes et les trois MNT

Une partie des points de contrôle est située à l’altitude 0 le long de la côte, pour identifier un éventuel écart systématique dans les référentiels altimétriques des MNT et des cartes topographiques. Aucun écart significatif entre ces points n’a pu être observé qui aurait nécessité un ajustement des valeurs de l’un des MNT.

Résultats : La dispersion des écarts en valeur absolue entre les points de contrôle venant des cartes topographiques et les trois MNT est bien plus faible sur celui d’ATDI à 25 m que sur les deux autres, avec respectivement une moyenne et une médiane à 8 et 5 mètres (figure 2). Avec une résolution plus fine (25 m) et une meilleure correspondance avec les altitudes des cartes topographiques, ce dernier s’est donc naturellement imposé pour servir de base pour le reste des traitements.

2.   Préparation du MNT

Le MNT brut (figure 3) présente des valeurs aberrantes et des données ponctuelles manquantes. Afin d’assurer correctement les traitements sur la topographie et l’hydrologie, il a été nettoyé puis découpé sur l’emprise de la zone d’étude.

Figure 3 – MNT ATDI brut et points de contrôle altimétrique (© ERC Desert Networks, Louis Manière, 2019)
  • Suppression des valeurs aberrantes correspondant aux valeurs supérieures à 2600 m (le plus haut sommet de la zone d’étude est à 2400 m) à l’aide de l’outil « grid calculator » de SAGA GIS 2.3.2 par l’expression suivante (-99999 correspond au NODATA) : ifelse(a>2600, (-99999),a). Ces valeurs anormalement élevés sont identifiées par la visualisation de l’histogramme de fréquence du MNT.
  • Interpolation des données manquantes (SAGA GIS 2.3.2 outil « close gaps with stepwise resampling », méthode des plus proches voisins).
  • Création du polygone de l’emprise de la zone d’étude et découpage du MNT (QGIS ou SAGA GIS 2.3.2 outil « clip grid with polygon », ArcGIS 10.5 outil « Extraction par masque » ; figure 4).
Figure 4 – MNT nettoyé et découpé à l’emprise de la zone d’étude (© ERC Desert Networks, Louis Manière, 2019)

3.   Retrait de la mer Rouge du MNT et délimitation du trait de côte

Le retrait de la Rouge permet aux outils de calcul de pente, de relief ou de délimitation des bassins versant de s’arrêter à la côte en contraignant l’espace de travail à la zone terrestre.

Étapes :

  • Extraction des valeurs correspondant à la mer (0 dans notre cas) à l’aide de la calculatrice raster (SAGA GIS 2.3.2 outil « grid calculator » ; expression : a=0 ; figure 5 carte 1).
  • Vectorisation du résultat et création d’un masque de la zone maritime incluant les îles.
    • Vectorisation (ArcGIS 10.5 outil « raster vers polygones » ; figure 5 carte 2).
    • Sélection et export de la zone maritime (figure 5 carte 3).
    • Comblement des espaces vides par des polygones (ArcGIS 10.5 outil « entités vers polygones » ; figure 5 carte 4).
    • Fusion des polygones de la zone maritime (ArcGIS 10.5 outil « fusionner » ; figure 5 carte 5).
    • Lissage du trait de côte (ArcGIS 10.5 outil « lisser un polygone », méthode de PAEK, tolérance = 100m).
    • Découpage de l’emprise de la zone d’étude par la zone maritime (ArcGIS 10.5 outil « effacer » dans « outils d’analyse/superposition » ; figure 5 carte 6).
    • S’il reste des espaces à effacer sur les bordures, création d’une couche de masquage sur ces zones et relance d’un traitement d’effacement (figure 5 cartes 7 et 8).
  • Le masque ainsi créé, le MNT peut être découpé selon cette nouvelle emprise sans l’espace maritime (ArcGIS 10.5 « extraction par masque » ; figure 5 carte 9).
Figure 5 – Étapes du retrait de la mer Rouge du MNT (© ERC Desert Networks, Louis Manière, 2019)

4.   Lissage du MNT et construction des courbes de niveau

L’incertitude de la méthode d’acquisition du MNT à disposition et des artefacts locaux génèrent un bruit de fond dans les données de notre MNT. Il peut causer des courbes de niveau irrégulières, des pentes ponctuellement inexactes ou un réseau hydrographique localement fragmenté.

  • Ce bruit de fond est atténué par un lissage statistique (ArcGIS 10.5 « statistiques focales », moyenne sur un cercle de 3 cellules).

L’apport du lissage peut être vérifié visuellement après production des courbes de niveau. On observe un gain sur l’uniformité des courbes et ainsi une meilleure conformité aux courbes de niveau des cartes topographiques 1:50000e (figure 6). Il y a néanmoins une perte de précision avec un écart moyen plus élevé par rapport aux points de contrôle topographiques, qui passe de 8 m à 10 m avec le lissage des données (tableau 1). Ainsi, le MNT lissé permet une meilleure cohérence globale des valeurs entre elles à l’échelle du désert Oriental égyptien mais il ne peut se substituer au MNT non lissé pour l’analyse des valeurs ponctuelles. La version non-lissée sera ainsi utilisée pour les traitements ultérieurs qui nécessiteront de connaître et prendre en compte l’altitude la plus exacte, en absolu, des pixels du MTN.

Figure 6 – Comparaison des courbes de niveau issues du MNT lissé et non lissé (© ERC Desert Networks, Louis Manière, 2019)
Tableau 1 – Écarts en valeur absolue entre les points de contrôle des cartes et le MNT du désert Oriental lissé et non lissé (© ERC Desert Networks, Louis Manière, 2019)
  • Création des courbes de niveau à partir du MNT lissé pour un intervalle de 20 m et 100 m (ArcGIS 10 .5 outil « isoligne »).

5.   Élaboration des rasters de pente et d’ombrage

Les rasters de pente (inclinaison et orientation) sont des données permettant de prendre en compte la difficulté de franchissement du terrain causée par le relief. Ils pourront ainsi être intégrés dans des analyses d’itinéraire à moindre coût afin de trouver des trajectoires nécessitant le moins d’effort entre deux lieux, possiblement empruntées par les voyageurs. Le raster d’ombrage est généré uniquement pour son intérêt visuel de la représentation du relief.

  • Création des rasters d’inclinaison et d’orientation de pente. L’outil « Slope, Aspect, Curvature » de SAGA GIS 2.3.2 avec la méthode « 9 parameter 2nd order polynom » (Zevenbergen & Thorne, 1987) a été utilisé (figure 7). Parmi les différente méthode d’analyse de la pente des logiciels SIG, celle-ci présente une meilleure correspondance avec les données de terrain (Rodríguez & Suárez, 2010).
  • Création d’un raster d’ombrage pour la visualisation du relief (SAGA GIS 2.3.2 « Analytical Hillshading » ; figure 8).
Figure 7 – Raster de l’inclinaison de la pente (© ERC Desert Networks, Louis Manière, 2019)
Figure 8 – Raster d’ombrage (© ERC Desert Networks, Louis Manière, 2019)

6.   Préparation du MNT pour la création du réseau hydrographique et des bassins versants

Le réseau hydrographique correspond ici aux fonds de vallée des wadis et au Nil. Mise à part ce dernier, c’est donc un réseau de cours d’eau intermittents, le plus généralement à sec, souvent empruntés dans les itinéraires des voyageurs. Les bassins versants sont les espaces de collecte des eaux vers les milieux aquatiques. Ils sont délimités par des lignes de partage des eaux ou crêtes, qui devaient être franchies pour passer à la vallée suivante. La connaissance de ces objets hydrologiques permet de documenter les itinéraires sur les fonds de vallée empruntés et de repérer les points de passage des crêtes au travers de la chaîne de montagne du désert Oriental.

L’ensemble des opérations sur l’hydrologie a ici été réalisée presque exclusivement par les outils ArcHydro tools sur ArcGIS 10.5. Le site www.sigterritoires.fr les décrit de manière très pédagogique et a été utilisé dans cette partie. Pour plus de détails sur ces traitements il est recommandé de consulter leurs publications sur ce sujet.

Afin d’éviter les ruptures d’écoulement dans le réseau, le MNT nécessite un prétraitement : écrêtement des dômes, homogénéisation des élévations des plans d’eau, modification des élévations au niveau des barrages et remplissage des cuvettes.

  • Écrêtement des dômes :
    • Inversion du MNT à l’aide de la calculatrice raster par la soustraction des valeurs du MNT à une valeur supérieure à la valeur maximale. Dans notre cas l’expression est : 3250 – ” MNT “.
    • Remplissage des dômes inversés par l’outil ArcHydro tools « Terrain Preprocessing/DEM Manipulation/Fill Sinks » avec un seuil de 10 m de remplissage dans notre cas.
    • Nouvelle inversion du MNT par la même opération, soit : 3250 – ” MNT “.
    • Remplissage des cuvettes avec le même outil « Fill Sinks » avec toujours un seuil de 10 m de remplissage.

Notre MNT possède une rupture d’écoulement majeure ne pouvant être prise en compte par les outils de remplissage. Il s’agit du barrage d’Assouan sur le cours du Nil, construit à la fin des années 1960 et qui évidemment a eu un impact majeur sur l’hydrologie de la région. Afin de permettre aux eaux de passer le barrage et homogénéiser les écoulements dans la retenue, celle-ci a été vectorisée pour y assigner une altitude unique puis une partie des altitudes a été abaissée au niveau du barrage.

  • Traitement du lac de retenue et du barrage d’Assouan :
    • Identification de l’altitude générale au niveau du lac de retenue (179 m sur notre MNT) et extraction de ces cellules (sur ArcGIS 10.5 outil « calculatrice raster » expression Int(“MNT”)==179).
    • Vectorisation des cellules d’altitude 179 m (ArcGIS 10.5 outil « Raster vers polygones » ; figure 9 carte 1) puis export du polygone correspondant à la retenue.
    • Comblement des espaces vides puis fusion des polygones (ArcGIS 10.5 outils « Entités vers polygones » et « Fusionner »). Edition de la table attributaire pour assigner une altitude unique de 179 m.
    • Création d’un polygone de la zone du barrage à abaisser (figure 9 carte 2), agrégation puis fusion avec le polygone de la retenue (ArcGIS 10.5 outils « Nouveau fichier de forme », « Agréger », « Fusionner »).
    • Extraction de la partie du MNT sur l’emprise de ce polygone et assignation de l’élévation de 179 m de la retenue (ArcGIS 10.5 outils « extraction par masque », « Calculatrice raster » expression “MNT”=value*0+179).
    • Création d’un nouveau MNT avec les élévations du raster de la retenue et du barrage modifié (ArcGIS 10.5 « Mosaïque vers nouveau raster », attention à la conservation des valeurs des NODATA et la résolution des pixels).
  • Remplissage des cuvettes avec l’outil « Fill Sinks » avec de nouveau un seuil de 10 m de remplissage.
Figure 9 – Extraction du lac de retenue et modification du barrage d’Assouan (© ERC Desert Networks, Louis Manière, 2019)

7.   Création du réseau hydrographique et des bassins versants

Générer un réseau hydrographique et des bassins versants à partir d’un MNT nécessite plusieurs traitements. Il faut déterminer les directions des écoulements, leur concentration dans les talwegs, définir la taille minimale du bassin versant et du tronçon hydrographique souhaitée puis segmenter le réseau au niveau des confluences, points d’exutoire pour la production des bassins versants.

L’étape principale est la définition des directions d’écoulement. Plusieurs méthodes sont possibles, le site www.sigterritoires.fr propose une présentation de ces méthodes sur QGIS. Dans notre situation, la méthode déterministe 8 ou D8 (O’Callaghan & Mark, 1984), seule méthode disponible dans ArcGIS, a été utilisée. Ce choix correspond aux besoins de l’étude des itinéraires qui ne nécessitent pas une analyse hydrologique à une échelle particulièrement fine et s’accorde aux capacités de calcul de la machine à notre disposition. La zone d’intérêt a également l’avantage d’avoir un relief bien marqué (du Nil à la mer Rouge) avec peu de régions planes.

  • Détermination des directions d’écoulement (outil « Flow direction »).
  • Détermination de l’accumulation de l’écoulement (outil « Flow accumulation » ; figure 10 carte 1).
  • Détermination du réseau d’écoulement (outil « Stream definition ») avec un nombre de 100 000 cellules (soit 62.5 km2) pour la définition le premier tronçon du réseau.
  • Sélection des tronçons d’écoulement et des bassins versants selon l’ordre de Strahler, méthode couramment employée dans la hiérarchisation d’un réseau hydrographique (Strahler, 1957).
    • Création d’un raster du réseau avec les ordres de Strahler à partir du réseau d’écoulement (ArcGIS 10.5 outil « Ordre d’écoulement », Strahler).
    • Extraction de l’intervalle de l’ordre de Strahler souhaiter, supérieur à 4 dans cet exemple (ArcGIS 10.5 outil « Calculatrice raster », expression Con(“Strahler”>=4,”Strahler”,) ; figure 10 carte 2)
  • Segmentation du réseau d’écoulement (outil « Stream segmentation »).
  • Vectorisation du réseau d’écoulement (outil « Drainage lines processing »).
  • Détermination du bassin versant de chaque tronçon d’écoulement (outil « Catchment grid delineation »).
  • Vectorisation des bassins versants (outil « Catchment polygon processing »).
  • Création de bassins versants emboités (outil « Adjoint catchment processing »).
Figure 10 – Exemple de construction du réseau d’écoulement et des bassins versants (© ERC Desert Networks, Louis Manière, 2019)

Certains bassins versants à l’ouest du Nil sont, dans notre exemple, mal représentés comme le secteur de l’oasis Maior (oasis actuelles de Dakhla et Kharga) (figure 10 carte 2) : il s’agit de dépressions particulièrement planes sur lesquelles de petites modifications de terrain peuvent modifier les directions d’écoulement et donc la forme de nos bassins versants. Un meilleur résultat aurait pu être obtenu par un préparation spécifique du MNT et une méthode de détermination des directions d’écoulement plus approprié. La zone d’intérêt de notre projet se situant à l’est du Nil, ce travail n’a pas été effectué.


Conclusion

Sept étapes de traitement ont ici été décrites (figure 11). Elles permettent de disposer désormais de nouvelles données sur l’hydrologie et la topographie du désert Oriental égyptien.

Figure 11 – Schéma de synthèse (© ERC Desert Networks, Louis Manière, 2019)

À ces éléments s’ajouteront par la suite des données spatiales sur la géologie, la texture de surface des sols (rocailleux, sablonneux), les points d’eau et les zones de passage, que l’on tirera d’un travail sur des cartes topographiques et géologiques géoréférencées, d’observations de terrain et de l’examen d’images satellite. Les informations extraites des récits de voyageurs des XVIIIe-XIXe s., collectées par Maël Crépy, et des sources anciennes, réunies par Bérangère Redon, seront également intégrées au SIG : elles permettront de prendre en compte d’autres facteurs qui ont influé sur le choix et les stratégies mises en œuvre pour circuler dans le désert, comme la taille des expéditions, la composition des caravanes et les modes de transport, les sites par lesquels les itinéraires devaient/pouvaient passer, à chaque époque, et les points d’eau disponibles dans la région.

C’est la prochaine étape avant de pouvoir lancer les premières analyses spatiales pour reconstituer les itinéraires antiques qui ont permis de traverser le désert Oriental du Nouvel Empire à l’époque romaine.


Bibliographie

  • O’Callaghan, J. F., & Mark, D. M. (1984). The Extraction of Drainage Networks from Digital Elevation Data. Computer Vision, Graphics and Image Processing, 22.
  • Rodríguez, J. L. G., & Suárez, M. C. G. (2010). Comparison of mathematical algorithms for determining the slope angle in GIS environment. 2, 5.
  • Strahler, A. N. (1957). Quantitative analysis of watershed geomorphology. Transactions, American Geophysical Union, 38(6), 913. https://doi.org/10.1029/TR038i006p00913
  • Zevenbergen, L. W., & Thorne, C. R. (1987). Quantitative analysis of land surface topography. Earth Surface Processes and Landforms, 12(1), 47‑56. https://doi.org/10.1002/esp.3290120107
  1. Un modèle numérique de terrain (MNT) est une représentation de la topographie de la surface du sol sous forme d’image raster où chaque pixel exprime une altitude sur une surface donnée (résolution spatiale). []
  2. Les rasters et vecteurs sont deux modes de représentation de l’information géographique. Un raster est matrice, soit une grille de régulière de cellule (ou pixel), un vecteur est une entité géométrique définie par des coordonnées spatiales. []
  3. Il est indispensable d’être dans un système de coordonnées cartographiques pour le bon déroulement de certaines opérations décrites ci-dessous. []

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