Spot-5 pour la détection d'indices potentiels d'instabilite du...

Spot-5 pour la détection d'indices potentiels d'instabilite du milieu naturel

février 1996 Rapport du BRGM R 38 839

BRGM L'ENTREPRISE AU SERVICE DE LA TERRE


Olivier Rouzeau François Girault Jean-Louis Bles

Christine King avec la collaboration de Belkacem El Hassani*

février 1996 Rapport du BRGM R 38 839

contrat CNES 95-249

BRGM DIRECTION DE LA RECHERCHE

BP 6009 - 45060 Orleans cedex 02 - FRANCE - Tel.: (33) 38 64 34 34 *CRTS

16 bis, Avenue de France, Agdal, Rabat - Maroc

Spot-5 pour la détection d'indices potentiels d'instabilité du milieu naturel

Mots c l 6 : Mouvements de terrain, Photo-interpritation, instahiliti, SPOT-5

En bibliographie, ce rapport sera cite de la façon suivante :

ROUZEAU O., GIRAULT F., BLES J.L., KING C., collab. BELKACEM El Hassani (1996) - Potentiel de SPOT 5 pour la ditection d'indices d'instabiliti du milieu naturel. Rapport BRGM R 38 839, 42 p., 13 figs.

O BRGM, 1996, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l'autorisation expresse du BRGM

Rapport BRGM R 38 839

--Spot-5 pour la détection d'indices potentiels d'instabilité du milieunaturel

La prévention des mouvements de terrain est l'une des préoccupations majeures pour la sécurité des populations et la protection de l'environnement. L'amélioration des techniques spatiales répond de mieux en mieux à ces questions. L'étude présentée vise à évaluer, par photo-interprétation assistée par ordinateur (PIAO) et par une approche quantitative, l'amélioration de détection des indices morphologiques d'instabilité du milieu naturel, grâce aux images du futur SPOT-5 et de ces produits numériques dérivés (MNT). La zone test se situe dans le massif de la Vanoise (Savoie, France) région particulièrement exposée aux risques naturels où sont mis en jeu des intérêts économiques non négligeables. Les résultats obtenus montrent que les caractéristiques techniques de SPOT-5 (visées avant et d e r e , haute résolution spatiale) facilitent grandement la PIAO notamment au niveau de la nomenclature des signes d'instabilité pour des études à l'échelle locale (1125 000) ou celle du bassin de risque. De plus, l'approche quantitative des problèmes de drainage et de ruissellement permet d'isoler des plages cartographiques significatives et constitue un excellent support pour renseigner des mdeles d'érosion ou cibler des suivis temporels de zones fragiles.


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TABLE DES MATIERES

AVANT PROPOS

1. OBJECTIFS

2. S m D'ETUDE 2.1 SITUATION ET CADRE GEOGRAPHIQUE 2.2 CADRE GEOLOGIQUE 2 3 SISMICITE HISTORIQUE 2.4 INTERET DU SITE POUR LES RISQUES NATURELS

3. INFORMATIONS RECHERCHEES

4. LES DONNEES UTILISEES 4.1 IMAGE SIMULEE SPOT 5 4.1.1 Caractéristiques d'enregistrement 4.1.2 Les simulations 4.2 Produits dérivés 4.2.1 MNT 4.2.2 L'ortho-image

5. METHODE D'EXPLOITATION

6. RESJLTATS 6.1 METHODE PIAO 6.1.1 Les bourrelets 6.1.2 Les entonnoirs 6.1.3 Les escarpements 6.1.4 Les failles 6.1.5 Les ravines 6.1.6 Les éboulis actifs ou récents 6.1.7 Les éboulis anciens 6.1.8 Eboulis et glaciaires mêlés 6.1.9 Les laves torrentielles 6.1.10 Les mouvements de masses 6.1.11 Les zones humides 6.1.12 Les plans d'eau 6.2 APPROCHE QUANTITATIVE 6.2.1 Calcul de l'image des pentes 6.2.2 Calcul de la densité de drainage


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6.2.3 Calcul de l'index de dénudation des sols 6.3 REALISATION DE L'IMAGE TRICHROMIQUE

7. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

BIBLIOGRAPHIE


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Cette étude été cofmancée par le CNES (contrat 951CNES 249) et la Direction de la Recherche du BRGM (projet Pol). Elle s'inscrit dans la phase 2 d'evaluations thématiques des caractéristiques spectrales, de résolution et de visée du futur satellite SPOT-5, dont le lancement est prévu pour 2002.

Nous tenons à remercier tous ceux qui, de près ou de loin ont participé la réalisation de cette &de et, en particulier Monsieur D. Thomas (ERDAS, France) qui a mis à notre disposition des modules complémentaires du logiciel ImagineTM d'ERDAS.

Rappoit BRGM R 38 839


Au cours de ces derniéres années, le besoin des utilisateurs (Etat, collectivités locales, organismes privh, particuliers ...) ne cesse d'augmenter en termes de sécurité de la population et de protection de l'environnement. Dans ces domaines, les risques naturels (sismiques, volcaniques, hydrologiques ou mouvements de terrain ...) focalisent de plus en plus l'attention des organisations internationales, des chercheurs et des spécialistes des sciences de la terre et de l'environnement (Leroi & al., 1992).

Dans le cadre de ses missions de service public, le BRGM a en charge la coordination d'un programme de prévention des risques naturels avec, en particulier, une part significative consacrée aux mouvements de terrain (Leroi &Terrier, 1993, 1994 ; Terrier & Leroi, 1994). Les satellites civils d'observation actuels ne permettent pas de répondre avec une entikre satisfaction aux besoins de la thématique : en particulier la résolution spatiale médiocre est un frein pour disposer d'informations spatialisées sur les conditions du milieu favorables au déclenchement de tels phénoménes ou pour effectuer des constats à posteriori des dégradations causées. Les désordres engendrés restent d'extension trop faible pour être détectés sur des images de résolutions décamétrique ou subdécarnétrique. De plus, l'obtention de vues stéréographiques sur de vastes surfaces est encore aléatoire en raison du mode d'acquisition à visée latérale de SPOT qui nécessite des conditions météorologiques optimales pour chaque image du couple et avec un faible écart temporel (Rouzeau & al. 1991).

Le futur SPOT-5 permettra de réduire ces problémes grâce à de meilleures résolutions (5 m en mode panchromatique et 10 m en mode rnultibande) et des acquisitions stéréographiques en visée avant-arriére en un seul passage.

L'étude présentée ici montre une évaluation du potentiel de détection et un inventaire d'indices d'instabilité de versants fondé sur des critéres géologiques et morpho-stmcturaux. Elle a été cofinancée par le BRGM et le CNES, dans le cadre des requêtes formulées par le Groupe d'experts sur l'instrument Haute Résolution Optique (HRO) constitué par le CNES.


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ECHELLE -- Kilmmart 2 O

Figure 1 - Site-test (en couleur : I'ortho-image Spot-5 ; en noir & blanc le fond numérisé de la carte IGN de Bourg-Saint-Maurice B 1/50 000)


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2.1 - SITUATION ET CADRE GEOGRAPHIQUE

Le site test mgure 1) se situe dans l'est de la France, au sud de la ville de Bourg-St-Maurice prés de la frontiere franco-ilalienne.

Dans l'ensemble, l'altitude varie entre + 1 300 m et +2 732 m (figure 2). Le réseau hydrographique est plus ou moins lâche avec une orientation préférentielle NE-SW. La forêt occupe quelques versants pentus (le Grand Bois par exemple) ; au-dessus, c'est la "pelouse" de l'étage alpin qui domine. La densite de la population est faible, l'habitat est concentré dans la vallée de Peisey-Nancroix.

Le climat périglaciaire, caracterise par l'alternance de gel et de degel, favorise largement la dislocation des roches en place. Ces conditions climatiques défavorables, la nature géologique des formations et leur histoire tectonique font de cette région une zone sensible de point de vue risque naturel.

La vallée du Porturin sépare un chaînon montagneux, parallele ?i l'axe de vol, en deux zones qui ont fait de cette région un lieu privilégié pour l'expérimentation :

- au nord la montagne des Arcs et l'aiguille Grive (orientation NE-SW) qui constitue le point culminant de la region +2 732 m ;

- au sud la pointe de Friolin qui a fait l'objet d'une étude détaillée (F. Girault 1992 et 1995).

2.2 - CADRE GEOLOGIQUE

Le secteur d'étude fait partie du massif de la Vanoise, Alpes de Savoie, et appartient ?i la "zone briançonnaise".

Les principales formations géologiques sont (figure 3) : - un socle métamorphique (schistes) ; - des terrains sédimentaire d'2ges variés ; - quelques intmsions de roche magmatique (gneiss) ; - les formations quaternaires ; glaciaires, éboulis, cônes de dejections, colluvions, alluvions

récentes, ...

Il est intéressant de signaler la présence de Trias ?i gypse, semelle de glissement des chevauchements alpins, actuellement ?i l'origine de nombreuses instabilités.


3 w

5 t4 8

G c m altitude (m) s aliiiude de vol P O jW0.00 - - ~- - - - - - - - - ? 450000 - Roche de Mio

Pointe de Fiiolin Aiguille Grive 2739 m 2878 m 2732 m z

9 Arc2WO 4 ~ 0 . 0 0 ; % 1 mllée de

2 3500.00 1 Peisey-Nanaoix

k?. "g 3WOOO -

1 l u p: 250000 ... :

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E - - - c! ZWOOO - (D

m, - 150000 i - er 4 1 X 1 1 I I I 1 <P ~ W O O O i

40W.00 6W0.00 8003.00 1OWO.00 12O00.00 14030.00 000 2WO.00 Fk i 0

Coup topographique du site, parallèle l'axe de vol - d'après MNT ISTAR 5 m x 5 m


A la base du versant ouest du massif de l'Aiguille Grive apparaissent, dans la couverture quaternaire, des accidents rectilignes orientées N 20" Est qui décalent la surface topographique. Ils sont interprétés comme des failles néotectoniques, leurs rejets peut atteindre jusqu'h 10 m. L'accident le plus important se poursuit de façon continue sur plus de 1 km, et certains ruisseaux ont vu leur cours se modifier, guidé par cet accident, un petit lac a pris naissance dans une dépression. Certaines failles ont un escarpement en sens inverse de la pente, ce qui constitue un piége où s'accumulent les éboulis.

L'origine de ces failles est encore mal connue ; la dissolution du gypse, entraînant des tassements en masse ou des accidents plus importants, est une cause possible de l'évolution du site (J. Goguel 1969).

2.3 - SISMICITE HISTORIQUE

Des séismes d'intensité maximale IV i V sur l'échelle ouverte de Richter ont été signalés en 1965 et 1968 aux environs immédiats de BourgSaint-Maurice. L'épicentre macrosismique du premier est situé h quelque distance de l'épicentre instrumental, les deux épicentres du séisme de 1968 sont proches l'un de l'autre. Plusieurs microséismes enregistrés dans la région confirment cette activité sismique.

2.4 - INTERET DU SITE POUR LES RISQUES NATURELS

Les mouvements anciens sont liés, comme dans beaucoup de régions des Alpes, i la dernière phase post-glaciaire. La disparition des glaciers, 2 la suite des modifications climatiques, a déstabilisé ces versants, favorisant le déclenchement de glissements importants.

Des manifestations plus récentes sont survenues sur de nombreux versants où l'activité anthropique est une autre cause de déclenchement de mouvement de terrain, liés le plus souvent h l'aménagement des stations de sports d'hiver (routes et pistes d'accés aux Arcs par exemple).

La zone d'étude est exposée h des risques variés (figure 4) :

-les éboulements, qui s'accumulent au pied des falaises et occasionnellement dans les grandes vallées h versants rocheux escarpés ;

- les glissements de terrains, qui affectent toutes les unités stratigraphiques. Ils se font par décollement de grands panneaux qui s'affaissent sur place en se crevassant ou parcourent des distances plus ou moins grandes ;



- FAILLES - ZONES D'ARRACHEMENT

ALLUVION RECENTES

EBOULIS ET GLACIAIRE RECENT

GLACIAIRE ANCIEN

MARBRES ET BRECHES (TRIAS) - QUARTZITES (TRIAS)

CARGNEULES (TRIAS)

CALCAIRES ET DOLOMIES (TRIAS)

GYPSES (TRIAS)

PERMIEN INDIFFERENCIE

GNEISS INDIFFERENCIES DU SPEY (TRIAS)

SCHISTES ET SERITOSCHISTES (PERMIEN)

GRAUWACKES ET ARKOSES (PERMIEN)

GABBROS ET SPILITES (ANTE-PERMIEN)

MYLONITES (ANTE-PERMIEN)

BARRES QUARTZSAlBITIClUES (ANTEPERMIEN)

HOUILLER BRIANCONNAIS (STEPHANSPERMIEN)

Figure 3 - Carte géologique numérisée du site d'étude


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- les affaissements par dissolution, qui se produisent dans les formations gypseuses; ils sont rév616s par des entonnoirs qui peuvent aussi résulter d'effondrements dans les couches sus- jacentes ;

- des désordres complexes, resultat de l'association d'un ou de deux des facteurs precédents : glissements, 6boulernents, affaissements et coulées.


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Figure 4 - Indices d'instabilité autour de la pointe du Friolin


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Les informations recherchées sont des signes morphologiques de surface permettant de supposer, de détecter, d'identifier et d'inventorier des indices d'instabilité du milieu naturel. Ces indices sont habituellement observés en stéréoscopie sur des photographies aériennes, et, lorsque leurs dimensions le permettent, sur des images spatiales (Rouzeau & al., 1992). Pour cette étude un contr6le sur le terrain a permis de vérifier la validité des infomations obtenues.

Plus précisément, les signes morphologiques S.S. (bourrelets, entonnoirs de dissolution, escarpements, failles, ravines, éboulis et zone humides) sont recherchés par interprétation - monoscopique et stéréoscopique - comme s'il s'agissait de photographies aériennes (Scanvic, 1992). Aprbs une Photo-Interprétation Assisté par Ordinateur (PIAO) et une numérisation, ces informations sont introduites dans une base de données, ce qui permet, grâce un systéme d'informations géographiques (SIG) de les combiner avec d'autres documents (cartes géologiques, modèles numériques de terrain (MNT), index de végétation, réseaux de drainages .... ) pour affiner ou mettre h jour les cartes existantes voire mettre en oeuvre des analyses de susceptibilité du milieu (F'rofîïtt & Fairless , 1991 ; Rouzeau & al. , 1991, 1992).

Rappori BRGM R 38 839

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Figure 5 - Images simulées en visée nadir



L'acquisition par le CNES d'image SPOT-5 simulée a été réalisée en fin d'été à une date t r k favorable pour l'observation des terrains montagneux ; la neige est quasiment absente, le couvert végétal est réduit et les problémes d'éclairement et d'ombres portées ne sont pas encore trop pecturbants pour une interprétation visuelle.

Les images simulées étudiées sont obtenues par dégradation de la résolution spatiale des enregistrements fournies par l'instrument PUSH-BROOM "RAMI" embarqué à bord de I'ARAT (Avion de Recherche Atmosphérique et de Télédétection) (figure 5).

4.1 - IMAGE SlMULEE SPOT 5

4.1 .1 - Caract6ristiques d'enregistrement

Les données SPOT simulées ont été acquises le 4 septembre 1995.

- Les données brutes ont une résolution spatiale de 1.66 m pour une hauteur de vol moyenne de 3 000 m (valeur peu significative compte tenu de l'ampleur des dénivellés sur le site).

- Bandes Spectrales : B I : 510 - 6 0 0 ~ 1 B 2 : 610 - 720 nm B 3 : 760 - 950 nm

- Heure d'acquisition : entre 9 h et 9 h 30 mn (heure locale).

La prise de vue réalisée sur l'axe de vol de 12 km comporte : une visée nadir, une visée avant à 19" et une visée arrikre à 19" par rapport au nadir. Ces 3 prises de vue ont été effectuées suivant le même sens sur l'axe de vol. Chaque phase d'acquisition dure approximativement 2 mn 20 s .

4.1.2 - Les simulations

Après enregistrement, le CNES procède à un certain nombre de prétraitements pour simuler au mieux le futur satellite. Pour cette étude nous disposons de simulations :

- Multispectrales : Mode X4 ; 3 canaux à 20 m de résolution pour simuler une étude faite dans les conditions actuelles (SPOT actuel) garantissant les même conditions (atmosphériques et couverture végétale) que les simulations SPOT 5.



Figure 6 - Extrait du Modèle Numerique de Terrain artificiellement éclairé dans les conditions de prise de vues des simulations


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- Stéréoscopiques : Mode S2 ; un canal à 5 m de résolution correspondant à la simulation SPOT 5. La stéréoscopie est fournie par la combinaison des visées avant et arriére.

- Monoscopiques : Mode H 1 ; un canal à 5 m panchromatique et 3 à 10 m BI, B2, B3, pour identifier les indices morphologiques.

'4.2 - PRODUITS DERIVES

Ces produits derivés (MNT et ortho-image) ont &té elabores par la société ISTAR (Imagerie Stéréo Appliquée au Relief).

4.2.1 - MNT

Un Modéle Numerique de Terrain (MNT) a été réalise (figure 6), à partir des couples stéréographiques en visee avant et visée arriére "PUSH BROOM" (mode S2). Il posséde une résolution planimetrique de 5 m x 5m dont l'incertitude sur le calage altimétrique absolu est de l'ordre de 3 m. Sa rbolution spatiale est de Sm x 5m.

Une ortho-image en mode multispectral à 1,7 m de resolution nous a été fournie pour servir de document de reférence aux interprétations. Elle correspond à l'enregistrement de la donnée source en visée arriére.


-Spot-5 pour la défection d'indices potentiels d'instabilité du milieunafurel

Deux types d'évaluation ont été redis& :

- la détection des indices, 2 la fois qualitativement (type, surface, forme, constraste ...) et quantitativement (nombre, longueur...), par rapport aux images SPOT actuelles, en se fondant sur l'extraction des informations obtenues par Photo Interprétation Assistée par Ordinateur (PIAO) ;

-une approche quantitative des problkmes de drainage et missellement en vue d'une mod6lisation simple de la susceptibilité des sols 2 l'érosion.

L'organigramme ci-aprés résume les differentes étages du travail effectue.

Numérisation de cartes

cartographie analytique cartographie probabiliste

Aide a la décision Surveillance de sites

Figure 7 - Organigramme de l'étude


- -Spot4 pour la detedion d'indices potentiels d'instabilité du milieunaturel

Pour l'approche PIAO, les documents interprétb ont été restitués à l'échelle du 1125000 ap rh avoir subi un fdtrage de type CRISP (Anonyme (1994) : ERDAS FIELD GUiDE, version 8.1, pp. 173). Le filtrage CRISP accentue la totalité des luminances d'une sckne sans distorsion du contenu de la variance de chaque bande. C'est un filtrage bien adapté aux images présentant un voile atmosphérique ou des plages à constraste faible. L'algorithme utilisé consiste dans un premier temps à calculer une analyse en composantes principales (ACP) de l'image, puis effectuer une convolution de la première ACP avec une filtre de type "passe-haut" et enfin retransformer l'ensemble dans l'espace RougeNealBleu. Chaque indice d'instabilité a été interprété en monoscopie (mode PAN à 5 m et mode XS à 1,7 m, 10 m et 20 m, El HAssani, 1995), puis en stéréoscopie XS k 10 m de résolution. Chaque élëment a ensuite été reporté sur l'ortho-image à 1,7 m de rbolution afm de lui confërer une géométrie conforme à la base de données (projection Lambert 2, ellipsoïde de Clarke 1880), puis numérisé et enfin intëgré dans une base de données géoréférencées comprenant déjà la carte géologique et les résultats de l'enquête terrain. L'approche quantitative a été réalisée h l'aide d'un Système d'Information Géographique (ARCflNFO).


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6.1 - METHODE PIAO

Les résultats fournis ci-aprés synthétisent des données qualitatives et quantitatives obtenues pour chaque type d'indice d'instabilité. La figure 8 montre la synthése des interprétations morpho-structurales.

6.1 -1 - Les bourrelets

Les bourrelets sont des indices révélateurs d'une morphologie moutonnée, caractéristiques de mouvements de terrain. Ils sont dus à des élévations locales de la surface du sol sous l'effet de compressions induites par des déformations internes. Ce type d'indice a été repéré surtout à l'Adret des Tuffes (l)', au-dessus d'Arc 2000. Le glissement porteur de ces bourrelets est d'ailleurs signalé sur la carte ZERMOS de la région de Bourg-Saint-Maurice (1125 000).

La perception qualitative des bourrelets est directement liée à leur relief, bien que celui-ci n'apparaisse pas, même en stéréographie. Elle est en effet due à une différence d'éclairement entre deux "versants", le c8té exposé au soleil refléchissant beaucoup plus de lumikre que l'autre (il n'y pas à proprement parler d'ombre). Ce sont donc, de ce point de vue, des indices radiométriques (figure 9).

On notera que l'heure d'acquisition des données favorise, par une éclairage rasant, leur mise en évidence.

L'analyse quantitative, basée sur le dénombrement des bourrelets dans chaque image @bl. 1) montre que la taille des bourrelets est trop petite pour être détectée à des résolutions de 20 m. Toutefois, la détection reste bonne pour 1'XS à 10 m et meilleure pour le PAN à 5 m.

Tableau 1 : Nombre de bourrelets détectés suivant les différentes configurations angulaireslspectraleslrésolution des simulations SPOT4

* Chaque indice noté ( ) sera localisé sur la carte de synthèse figure 8

Rappott BRGM R 38 839

réf. 1,7 m

13 1

Indices

Nb bourrelets

20 m XS nadir

O

10 m XS nadir

82

O m XS stéréo

90

5 m PAN nadir 111


EBOULIS ACTIFS ZONES HUMIDES

EBOULIS ET MORAINES ZONESEN EAU

I EBOUUS ANCIENS OMBRES WRTEES

GLISSEMENTS DE MASSE - BOURRELETS

LAVES TORRENTIELLES - ESCARPEMENTS

RAVINES - FAILLES

ENTONNOIRS DE DISSOLUTION

Figure 8 - Interpr6tation morpho-structurale de la zone test Projeetion géographique Lambert II étendu, coordonnées métriques,

ellipsoïde de Clarke 1880 (les annotations sous forme de chiffre renvoient au texte)


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6.1.2 - Les entonnoirs

Ces indices, caractéristiques de la présence de gypse (puisqu'ils résultent de sa dissolution), sont peu nombreux dans cette partie du massif mais peuvent se présenter avec une trés forte densité dans d'autres secteurs du massif de la Vanoise. On en trouve 3 sur la Montagne de l'Arc (2)* au pied de l'arête NE qui descend de la pointe du Friolin, à l'altitude de 2188 m (figure IO).

En stéréoscopie, il est possible d'en déceler un avec certitude (le plus grand ayant un diamétre d'une quarantaine de métres) sur les images XS à 10 m, peut-être en partie à cause de la dépression morphologique qu'il représente, et en tout cas à cause du contraste entre le c6té eclairé et le c6té à l'ombre. Les 2 autres - que l'on identifie sur l'image de référence à 1,7 m de résolution - apparaissent moins bien : moins profonds et moins pentus, les contrastes dus à l'éclairement sont également moins forts. Sur les images nadir, ces contrastes sont trés atténués sur le PAN à 5 m par rapport à l'image XS à 10 m ; la perception de ces objets est donc possible mais difficile. Sur l'image XS à 20 m, seule la plus grande dépression peut attirer l'attention d'un observateur trés averti, de sorte que sa détection est, sur ce type d'image, très aléatoire.

On notera donc un net progrès pour la recherche d'entonnoirs sur les images SPOT-5, d'autant plus intéressant qu'il s'agit d'indices pouvant rév6ler des vides souterrains comme cela se présente en milieu gypseux ou karstique (tabl. 2).

Tableau 2 : Nombre d'entonnoirs de dissolution de gypse détectés suivant les différentes configurations angulaires/spectrales/résolution des simulations SPOT3

Indices 120 m XS nadir 110 m XS nadir 1 O m XS stéréo 1 m PAN nadir 1 6 1,7 m

6.1.3 Les escarpements

Ils peuvent constituer la zone d'arrachement qui se trouve en tête des mouvements de terrain, comme à la pointe du Friolin (3, glissement du versant est), ou, probablement, à l'Adret des Tuffes (1, mouvement signal6 surtout par ses bourrelets). Ils peuvent également constituer une limite d'érosion régressive, comme au-dessus du Grand Bois (4), oh ils marquent d'ailleurs la présence de gypse, avec une forme d'érosion caractéristique (aiguilles), ou encore au col de Chal (5), sous l'Aiguille Grive. Occasionnellement, les escarpements peuvent traduire le passage d'une faille, ou alimenter des 6boulis (actifs).

b d'entonnoirs 1 O

On notera que plus la résolution au sol est fine, plus la d6tection des escarpements est facilitée, et que la stéréoscopie reste le mode d'interprétation adapté à l'identification de ces objets. SPOT-5 est, pour ce type d'indice un outil précieux par rapport aux systémes SPOT actuels.

3 3


1 3

Spot-5 pour la dbtection d'indices potentiels d'instabilitb du milieu naturel

I

B ECHEUE i Metai*

2W O 2m

Figure 9 -Perception des bourrelets aux diffbrentes échelles de résolution des simulations A : 1,7 m ; B : 5 m (panehro) ; C : 10 m (multispectral) ; D : 20 m (SPOT actuel).



6.1.4 - Les failles

On assimile ici des failles les discontinuités linéaires visibles sur les images, ce qui fait qu'elles ne figurent pas toutes sur la carte géologique (où elles doivent, pour être représentées, répondre h un certain nombre de critères particuliers, et, notamment, avoir été vues sur le terrain).

De ce fait, surtout si l'on se réftre 2i ce que montre l'image XS 2 20 m de résolution en visée nadir, la perception des accidents géologiques est trbs nettement améliorée par les nouvelles données. Le meilleur exemple en est la perception des accidents de la pointe du Friolin (6), plus spécialement la pente sud (Girault & Goguel, 1995). En effet, les deux failles d'sge quaternaire qui affleurent ici ne sont perceptibles que sur la visée XS "arrière" 2 10 m (celle qui permet d'observer la plus grande surface de la pente) et sur l'image PAN 5 m h visée nadir. S'il est établi que l'un des atouts de la télédétection spatiale, dans ses applications géologiques, est justement la mise en évidence d'accidents structuraux par effet synoptique, l'image PAN 5 m de resolution montre dans ce cas précis qu'elle est adaptée a la détection d'éléments qui ne se traduisent pas forcément dans la morphologie.

L'échelle de travail utilisée (1125 000) est parfaitement adaptée h la recherche de ces accidents structuraux, et la qualité des données permet d'exploiter la fois l'effet synoptique et la résolution nécessaire l'identification et 2 la localisation précise de ces observations.

Tableau 3 : Longueur cumulée des failles détectées suivant les différentes configurations angulaireslspectraleslr&olution des simulations SPOT-5.

Indices

ongueur cumulée

des failles

Il est noter que la perception stéréographique est la plus complète et fournit autant de renseignements que l'image de référence.

6.1.5 - Les ravines

O m XS nadir

39,4 km

Les ravines sont l'expression de la détérioration des versants par les eaux de ruissellement ou par des écroulements torrentiels. Cette érosion se traduit, la longue, par la formation d'un chevelu plus ou moins dense d'incisions dont la profondeur varie en fonction de la nature des terrains.

Bien que perceptible sur la donnée XS h 20 m 2 visée nadir, le chevelu ne peut &tre cartographié avec précision qu'a l'aide d'images a haute résolution spatiale. C'est autant le mode16 morphologique que la variation radiométrique (ou éclairement) qui permet de suivre le riseau et de mettre en évidence son organisation. Les données XS ou PAN sont donc, de ce point de vue, relativement complémentaires, les dernières assurant &idemment une plus grande finesse cartographique (7).

10 m XS nadir

96 km


10 m XS stéréo

112 km

5 m PAN nadir

106.25 km

réf. 1,7 m

113 km

Carte géologique

51,3 km


ECHELLE .. m e r s 1W O 100

Figure 10 - Perception des entonnoirs de dissolution de gypse.


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6.1.6 - Les éboulis actifs o u r écen t s

Il s'agit d'éboulis non colonisés par la végétation, situés sur des pentes ou au pied d'escarpements. Il y a une part importante d'interprétation dans la mesure où ils peuvent être confondus-avec des éboulis anciens, des moraines ou des glaciers rocheux. Pour ce faire, on s'est attache identifier les éléments dont la réponse spectrale ou la situation (sur des pentes fortes) est comparable celle que signale la carte ZERMOS.

La détection de ces objets est grandement facilitée par l'apport d'informations multibandes. Leur recherche sur les images panchromatiques paraît plus difficile, mais la haute rbolution spatiale de ce canal est un atout précieux pour les identifier ; le problème est en partie lié 2 l'étalement de dynamique, les éboulis apparaissant généralement sous forme de plages claires rapidement saturées. En l'absence de données multibandes, il semble illusoire de vouloir différencier les éboulis actifs des autres.

6.1.7 - Les éboulis anc iens

Ont et6 identifiés comme tels tous les sols nus situés en altitude, au Nord autour de l'Aiguille Grive et des Dents du Peigne, et au Sud de la pointe de Friolin. On y a assimilé les blocs morainiques, et ce qui correspond trks probablement 2 des glaciers rocheux. Ces éléments sont aisément repérables sur les images XS et sur l'image PAN lorsqu'ils couvrent de grandes surfaces. Mais l'image panchromatique ne permet pas de les mettre tous en évidence ; cela est particulièrement net au Sud de la pointe du Friolin, sur les pentes de la montagne de BellecGte (le Rochu).

On remarque que l'amélioration de la résolution spatiale autorise la détection des structures internes de ces unités, alors que les données XS actuelles ne fournissent 2 cet égard que des images "floues". Les anneaux (à convexité tournée vers l'aval - dans le sens du mouvement -) caractéristiques du comportement viscoplastique de ces matériaux apparaissent en effet sur les images XS 10 m et, a fortiori, sur les données PAN à 5 m.

6.1.8 - Eboulis et glaciaires mêlés

Sous l'Aiguille Grive, au lieudit le Rey (S), se trouve une zone déboisée pour les besoins des stations de ski. La morphologie de cet endroit, sans présenter d'accident particulier, est inégulikre, ce qui se traduit également par des variations de radiométrie, et pourrait laisser croire un mouvement de terrain. Toutefois, aucune structure distincte n'apparaît. L'image PAN 2 5 m n'apporte pas d'éléments particuliers ; sur l'image XS à 20 m, cette zone, qu'il est possible de distinguer, évoquerait plutôt un ancien mouvement de terrain, mais seul un examen très attentif permettrait de la remarquer ; les données de simulation de SPOT-5 XS à 10 m permettent quant h elles d'identifier cette zone comme étant particulikre, distincte des éboulis récents ou des éboulis anciens. La carte géologique signale 2 cet endroit la prbence d'éboulis mêlés avec des dépôts glaciaires.


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6.1.9 - Les laves torrentielles

Ce sont des melanges composites d'eau, de terre et de bloc rocheux (auxquels s'additionnent le cas écheant glace et neige) qui s'écoulent à des vitesses très elevées. Ces laves empruntent géneralement les voies du réseau hydrographique, mais peuvent en sortir et envahir les territoires environnants. Elles sont le plus souvent associées à des conditions climatiques particulièrement defavorables. Independamment de leur caractère occasionnel et exceptionnel (qui fait qu'elles peuvent être mises en evidence par des &des multidate), rien ne les distingue a ptiori des éboulis ou des sols nus, hormis peut-être, lorsque la morphologie s'y prête, leur etalement ou leur localisation. L'image PAN 2 5 m 2 visée nadir petmet cependant leur identification précise notamment dans le Bois de Chalotte (9) audessus des Lanches.

6.1.10 - Les mouvements de masses

Sur le versant NW de la pointe du Friolin (juste au nord du lac de Friolin), on repkre une masse de materiaux glissés (10) dont la structure evoque un mouvement d'ensemble ba r opposition à des eboulis). Il s'agit d'un ancien glissement de terrain (les données multibandes montrent qu'il est colonisé par la végétation), limite par un arrachement, visible sur les images à 10 m de rh lu t ion quelle que soit la configuration. Cette unit6 est egalement visible sur l'image XS à 20 m, mais d'identification plus dificile, sa structure étant moins bien revelée. L'image PAN h 5 m n'apporte pas, sur cette figure, d'information particuliére par rappoa aux donnees XS. Le glissement du versant est de la pointe du Friolin est bien visible. On identifie aisement la zone d'arrachement et les 6boulis au pied de la face.

6.1.1 1 - Les zones humides

Elles sont reperables sur la zone test par radiometrie grâce à la foae réflectance dans le proche infrarouge de la vég6tation hydrophile. Les image XS à 10 m permettent de les cartographier avec plus de finesse que l'image à 20 m, mais le nombre de zones humides detectées reste le même dans les deux cas.

6.1.12 - Les plans d'eau

De petites dimensions, ils sont reconnus sur toutes les scénes ; mais la comparaison des données XS 2 20 m et à 10 m montre qu'ils apparaissent plus sur les premières par contraste radiometrique avec leur environnement que grice à la résolution spatiale. Leur géométrie est mieux d6finie sur l'image PAN h 5 m, mais leur perception est 6videmment moins immédiate du fait de l'absence de contraste radiometrique.

En conclusion de cette approche par photo-interprétation, il apparaît clairement que les caractéristiques stéréoscopiques et de résolution de Spot 5 améliorent très significativement fa détection et l'inventaire d'indices d'instabilité de versants.


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6.2 - APPROCHE QUANTITATIVE

Cette approche est fondée sur la mise en évidence de paramétres exploitables de façon systématique et susceptibles de caractériser globalement le milieu étudié. On cherche a tirer partie de la morphologie (guide majeur des circulations d'eau superficielle) et des signes de surface pouvant intervenir sur ces écoulements.

Les méthodes les plus couramment utilisées (Dubucq M., 1986) exploitent simultanément la pente et l'index de végétation. Nous avons affiné cette approche en faisant les hypothhes suivantes : la pente, la répartition de la densité du drainage et le degré de protection des sols et des surfaces minérales agissent interactivement sur les écoulements (Delpont & al., 1991). Leurs manifestations simultanément observées en un point ne peuvent que traduire les conditions les plus favorables 2 l'érosion dans le milieu considéré et se trouvent toujours validées alors que l'inverse n'a aucune signification objective.

C'est pourquoi trois couches d'informations intermédiaires ont été générées et normalisées :

- la pente des terrains ; - la densité de drainage ; - l'index de dénudation des sols.

L'obtention des différents plan d'informations sont explicités ci-aprés.

6.2.1 - Calcul de l'image des pentes

L'image des pentes est directement obtenue en pourcentage partir du MNT. Pour une fenetre de 3 pixels, on calcule :

Axl = c - a Ax2 = f - d Ax3 = i - g

Ayl = a - g Ay2 = b - h Ay3 = c - i

Ax = ( Axl + Ax2 + Ax3) 13xxs Ay = ( Ayl + Ay2 + Ay3) / 3xys



, , i,'

Figure 11 - Extrait de l'image de la densitt? du réseau de drainage



a....i = valeur altimétrique des pixels xs = taille en x du pixel Ys = taille en y du pixel ,

La valeur de la pente du pixel "eu est calculee de la façon suivante :

si p 2 1, la pente en pourcentage vaut px100 dans les autres cas la pente en pourcentage vaut 200 - (1001~)

Le résultat est une image de type raster codée en entier.

6.2.2 - Calcul de la densité de drainage

Cette densité de drainage est en réalite la densité du réseau hiérarchisé suivant la mithode de Strahler est calculee de façon automatique & partir du MNT.

a) Calcul du réseau de Strahler

Dans un premier temps, le MNT est transformé en un fichier d'écoulement contenant, pour chaque pixel, l'adresse du pixel de celui qui "s'écoule" vers lui, c'est-&-dire celui présentant la ligne de plus grande pente. L'algorithme utilisé permet & la fois de faire deborder les zones en dépression et de suivre des écoulements sur des zones plates, si bien que chaque pixel du MNT est relié au moins à l'un de ces proches voisins. Dans un second temps, le fichier d'ecoulement est hiBrarchise en un reseau de drainage suivant la méthode définie par Strahler : les Bcoulement les plus amonts, issus d'une crête sont d'ordre 1. Quand deux Bcoulements de m&me ordre arrivent en confluence, le drain qui en résulte s'incrimente de 1. Cependant, la confluence de deux écoulements ayant des ordres differents garde la valeur de l'ordre de I'Bcoulement le plus Blevé. Le résultat obtenu est une image de type raster. Dans le cas de cette étude, l'ordre le plus important obtenu vaut 8.

b) Calcul de la densité

Le reseau de Strahler obtenu précédemment est dans un premier temps binarisé en ne conservant que les valeurs d'ordre supérieur à l'ordre 3, c'est-à-dire que l'on conserve ainsi les drains ayant une reelle existence sur le terrain et qui sont le témoignage d'incisions du sol. Le résultat obtenu est une image de type raster n'ayant que deux valeurs possibles : O absence de drain ; 1 prBsence d'un drain.

Cette image binaire est ensuite filtrée numeriquement par un filtre de type "passe-bas" suivant une boite glissante de 101 pixels x 101 pixels Pgure II).

Le rhultat est une image de type raster codée sur 8 bytes.


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Figure 12 - Index de végétation



6.2.3 - Calcul de l'index de dénudation des sols

Cet index (iD) est directement calculé à partir de l'inverse de l'index de végétation normalisé (iV) obtenu à partir des canaux 2 et 3 de SPOT figure 12).

Le résultat est une image de type raster en flottant codée en -1 et + 1.

6.3 - REALlSATlON DE L'IMAGE TRICHROMIQUE

Une image trichromique est réalisée en prenant respectivement les fichiers images des pentes (canal rouge), de la densité de drainage (canal vert) et de l'index de dénudation (canal bleu) aprbs les avoir centrés et réduits (moyenne à O et écart type à 1) et convertis en fichiers raster codés sur un byte figure 13).

Cette combinaison trichromique permet de mettre en évidence la conjonction des 3 phénombnes sans avoir à pondérer des indices artificiellement. Seules sont pertinentes en termes de risque d'érosion, les plages traduisant les valeurs maximales de ce milieu : par exemple autour du bassin du lac de 1'Etroit ou dans la forêt de Grand Bois..

Cet inventaire est rapide mais par contre il n'est pas tout à fait exhaustif à cause des effets d'ombre et de lumibre du milieu alpin. Il permettra neanmoins de cibler des zones fragiles sur lesquelles assurer un suivi temporel. L'instabilité de ces versants ne pourra être confirmée que si ces plages subissent un accroissement au cours du temps.


Spot-5 pour la detection d'indices potentiels d'instabilité du milieu naturel

Absence de végétation Pente forte Drainage dense

r Absence de végétation Pente forte Drainage faible

Index de v6gbtation moyen Pcnïe forte Drainage moyen

[LI Absencc de vég6tation Pente nulle Drainage nul

Fori couvert végétrl Pente nulle Drainage dense

Figure 13 - Exemple du bassin du lac de I'Etroit


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L'étude présentée s'inscrit dans le cadre de l'évaluation du futur capteur de SPOT-5 pour la détection d'indices d'instabilité en milieu naturel.

Dans ce domaine, abordé par le biais de la photo-interprétation assistée par ordinateur (PIAO) et une approche quantitative, deux atouts de SPOT-5 peuvent permettre de proposer des études plus adaptees que le mode actuel de SPOT : sa résolution spatiale et son pouvoir stéréoscopique amélioré.

En effet, la détection par PIAO d'indices d'instabilité de versant se fonde sur des indicateurs spectraux ou morphologiques qui exigent des résolutions spatiales fines et la disponibilité de couples stéréoscopiques non altérés par des variations temporelles de radiométrie.

L'inventaire systématique réalisé par une démarche PIAO montre l'amélioration du pouvoir de détection à attendre de SPOT-5 par rapport au SPOT actuel. Elle est considérable pour tous les indicateurs linéaires (ainsi les bourrelets, les structures de failles et de ravines sont perçues gr$ce aux données PAN à 5 m x 5 m de façon quasiment similaire à ce que l'on pourrait obtenir en photographie aérienne) et très significative pour des formes peu étendues mais typiques d'une instabilité (entonnoirs de dissolution). Enfin certaines unités dynamiques (types d'éboulis, structures de mouvements de masse, ...) sont mieux différenciées.

L'approche quantitative, fondée sur la mise en évidence de paramhtres exploitables de façon systématique et susceptibles de caractériser globalement le milieu étudié permet d'obtenir des informations qui contribueront de façon beaucoup plus efficace à la caractérisation et ?i la description de l'environnement d'un site potentiellement instable, ce qui représente une étape essentielle dans l'évaluation des risques encourus.

Jusqu'à prhent, pour l'élaboration de certaines cartes (aleas sismiques ou mouvement de terrain), nous avions la possibilité d'utiliser les MNT de I'IGN (pixel à 50 m), les MNT SPOT actuel (pixel 20 m), ou les MNT de photographies aeriennes (pixel à 2 m). C'est cependant la taille du pixel à 5 m des images SPOT-5 qui correspond le mieux à la précision de l'échelle cartographique 1/25 000.

Cette échelle des futures images SPOT-5 est compatible avec le 1/25 000. Ceci est trks adapte 2 l'échelle cartographique de la planification préventive que le BRGM tente d'introduire : l'échelle du bassin de risque (les deux autres échelles d'etude étant celle du département 1/50 000 ou celle de la commune 1/10 000).

Rappod BRGM R 38 839

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De plus, ces informations pourront aider 2 la fois 2 la mise en place de suivis de sites (fond& sur l'apparition ou l'évolution de ces indicateurs) et ?i l'analyse de la déformation des modeles numériques de terrain PURVILLE , 1992) tout en permettant l'enrichissement de cartes d'instabilité de versant bâties sur des criteres géologiques et morphologiques.

Entb l'approche numerique des caractéristiques morphologiques et végétales du milieu facilite l'élaboration de supports de mod~ilisation dynamique en 3D, méthodes qui se développent actuellement au BRGM.


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