Voir la source de Analyse d'ouvrages hydrauliques par imagerie 3D, application au drainage de talus routier et au colmatage numérique de brèches dans des digues littorales.

= Objectifs  =

La réflexion sur des ouvrages qui jouent un rôle sur les écoulements de l'eau, comme les réseaux de drainage ou encore les digues, peut s'appuyer sur des modèles numériques qui simulent les processus hydrauliques en jeu. Cette réflexion est nécessaire par exemple dans le cadre du dimensionnement d'un ouvrage, dans celui de l'étude de son impact, ou encore pour son insertion dans le paysage. 

Sans aller jusqu'à ces procédés de modélisation hydraulique, l'examen du rôle des ouvrages peut s'effectuer du point de vue de leurs dimensions et leur position dans l'espace, en partant d'hypothèses simplifiées d'un point de vue physique, mais qui suffisent à étayer l'analyse vis-à-vis de principes généraux. 

Il s'agit ici de présenter, dans le cas de tels examens, des résultats de constructions d'images, en 3 dimensions, d'ouvrages dans leur environnement. Ces constructions ont été effectuées au moyen d'un ensemble d'applications informatiques spécialisées. 

La partie qui suit présente les outils utilisés et les méthodes adoptées pour la construction des images. Elle précède deux exemples d'application. 

= Outils et méthodes  =

Trois types de logiciels sont utilisés suivant une procédure précise, pour associer le sol ou le terrain naturel, l'ouvrage, et éventuellement des volumes d'eau, au sein de l'image en trois dimensions. 

Le sol et le terrain naturel sont issus de l'application d'un logiciel de SIG, qui fournit à la fois un modèle numérique des altitudes du terrain naturel (à partir de données LIDAR par exemple) et une vue aérienne du site positionnée, orientée et cadrée rigoureusement. Ce logiciel de SIG peut également fournir, à défaut d'autres applications spécialisées, l'emprise d'un volume d'eau sur un territoire donné, par simulation du remplissage des terrains hydrauliquement accessibles (au sens de la topographie) depuis un point fixé. 

Le modèle numérique de terrain et le volume d'eau (ou la surface de celle-ci), sont importés au moyen d'un logiciel de modélisation en 3D. Si certains ouvrages peuvent s'inscrire dans la topographie des lieux (C'est par exemple le cas d'une digue), d'autres seront à construire entièrement au sein du modèle 3D initié précédemment (Un pont ou une écluse par exemple). 

Un logiciel de traitement de photographies est utilisé à titre d'auxiliaire pour diverses opérations intermédiaires. Il permet&nbsp;: 

*de contrôler la résolution et la qualité visuelle de la vue aérienne du site, 
*de modifier le format d'enregistrement de certains fichiers (BMP, JPG, PNG, TIF, etc.), 
*de contrôler l'usage des couleurs associées à des altitudes dans les couches matricielles du SIG, 
*de lisser le modèle numérique de terrain, 
*de modifier la topographie des digues (obturation de brèche, modification du profil).

Un lien direct peut en effet être obtenu entre la couche matricielle d'un SIG et sa représentation sous forme d'image, et plusieurs algorithmes exploités par les logiciels de traitement de photographies se révèlent efficaces pour traiter le modelé du terrain. Le colmatage d'une brèche ou d'un passage d'eau par exemple s'effectue au moyen d'un outil d'estompage, qui permet de reporter sur le lieu de la brèche, les couleurs des tronçons de digues voisins, représentatives d'une crête en bon état. 

Les logiciels utilisés ici sont d'usage libre, et bénéficient à ce titre de l'appui de larges communautés d'utilisateurs échangeant sur Internet les techniques et savoirs-faire. Il s'agit de GRASS (intégré par défaut à l'application QGIS) pour la partie SIG, GIMP pour le traitement de photographies, et OpenFX pour la modélisation en 3 dimensions (dédié à l'animation cinématographique, il est ici utilisé pour la conception d'images fixes. La création d'animations est donc également possible pour ces exemples). 

= Applications  =

La première application intervient dans une étude de déviation à créer, elle concerne l'examen de règles de mise en place de drains sur un talus routier, vis-à-vis de leurs conséquences sur la localisation des tranchées. Les terrains traversés sont de mauvaise qualité et présentent de nombreux passages d'eau de nappe, difficiles à situer précisément. La parade envisagée et étudiée ici est un masquage aussi complet que possible, par les tranchées, du volume de sol en arrière du talus. Ainsi, le fond d'une tranchée doit se situer, dans un profil en travers, au même niveau que la surface de la tranchée en position directement inférieure (schéma ci-après, à gauche). Ce principe est ici rendu plus complexe par la pente et la courbure de la chaussée, ce qui a justifié la représentation en 3 dimensions. 

Une deuxième contrainte, d'origine hydraulique, vient s'ajouter&nbsp;: la pente de chaque tranchée est commune et fixée au titre de paramètre de dimensionnement. 

Le modèle en 3 dimensions a ici été entièrement réalisé au moyen de l'application OpenFX. Il comprend une demi chaussée (en noir dans la vue ci-dessous), la partie superficielle du talus (en jaune), et les tranchées (parallélépipèdes de divers bleus). Une vue d'un plan du projet, disposé à l'horizontale et ombrée, fait ressortir la forme et les proportions du talus. La construction de l'image a permis notamment d'estimer l'écartement entre tranchées requis en haut de talus (valeurs les plus faibles) pour respecter ce principe d'aménagement. 
[[Image:drainage_de_talus_riche_en_eau_principe_de_masquage.jpg|center|thumb|300px|drainage de talus riche en eau principe de masquage]] 
''Figure 1&nbsp;: Représentation schématique en travers du principe de masquage par tranchée drainantes de nombreuses venues d'eau dans un talus routier'' 

[[Image:drainage_de_talus_routier_positionnement_des_tranchees.jpg|center|thumb|300px|drainage de talus routier positionnement des tranchees]]  


''Figure 2&nbsp;: Vue en 3 dimensions du positionnement des tranchées drainantes'' 

La deuxième application traite du passage de l'eau à travers un système de défense littoral, sur l'Île de Ré, dans le cas de la tempête Xynthia de 2010. Un calcul de remplissage au moyen du logiciel GRASS a mis en évidence des passages d'eau en certains points du système de défense (flèches oranges sur la figure 3 ci-dessous, la surface bleue est un image de la profondeur de submersion virtuelle générée par l'algorithme de remplissage). 

[[Image:analyse_3d_digues_passages_d_eau.jpg|center|thumb|300px|analyse 3d digues passages d eau]] 

''Figure 3&nbsp;: Représentation des passages d'eau repérés au moyen des données LIDAR et du logiciel GRASS'' 

[[Image:analyse_3d_digues_simulation_graphique_de_rehausse_de_digue.jpg|center|thumb|300px|analyse 3d digues simulation graphique de rehausse de digue]] 

''Figure 4&nbsp;: Représentation d'une rehausse de digue par traitement graphique'' 

Un procédé graphique de suppression des brèches a été mis en œuvre. Il est illustré par la paire de vues ci-dessus à droite, la vue de droite montrant le nouveau modèle numérique de terrain après colmatage (la partie modifiée est entourée d'un trait orange, le tracé en gris clair de la digue est plus uniforme après modification). Le calcul de remplissage effectué après colmatage a montré une protection effective de la zone antérieurement submergée, ce qui témoigne de la sensibilité de cette zone à la partie de digue modifiée (cette sensibilité doit être étudiée plus précisément, les conditions réelles de submersion incluant des processus non pris en compte ici, comme la durée effective du franchissement par l'eau et le volume correspondant,...). 

Cette première étape permet de mener plus avant l'investigation du système de défense, d'autres parties de celui-ci devenant des passages d'eau potentiels dans des condition hydrauliques voisines. 

Une visualisation de la submersion virtuelle dans chaque cas est montrée ci-dessous, elle peut être confrontée aux analyses menées sur le terrain lors de la submersion réelle. 
[[File:Visualisation en 3 dimensions d'une simulation d'exposition à la submersion (plan d'eau fixe), cas du relief naturel.jpg|center|400px]]

''Figure 5&nbsp;: Représentation en 3 dimensions de la simulation d'une exposition à la submersion (établissement à partir d'un niveau de plan d'eau fixe et d'une connexion hydraulique), en présence du relief réel'' 
[[File:Visualisation en 3 dimensions d'une simulation d'exposition à la submersion (plan d'eau fixe), cas du relief modifié.jpg|center|400px]]

''Figure 6&nbsp;: Représentation en 3 dimensions de la simulation d'une exposition à la submersion (établissement à partir d'un niveau de plan d'eau fixe et d'une connexion hydraulique), en présence du relief modifié (rehausse de digue)'' 

= Contact et discussion  =

Les choix adoptés pour ces deux applications correspondent à une expérience personnelle de l'auteur dans le traitement graphique et géométrique de données localisées dans l'espace. D'autres procédés peuvent contribuer à des analyses similaires, et tout échange sur les méthodes sera le bienvenu. Pour tout échange et information complémentaire, contacter Yves Nédélec au laboratoire de Bordeaux, groupe Géotechnique, Risques et Bâtiments.<br> 
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'''Auteur&nbsp;: Y. NEDELEC, CETE du Sud-Ouest, Laboratoire de Bordeaux, Groupe Géotechnique, Risques et Bâtiments (yves.nedelec@developpement-durable.gouv.fr)''' 

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