Bathymetrie monofaisceau / Singlebeam

Bathymétrie Multifaisceaux / Multibeam  

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La bathymétrie

Des termes grecs qui signifient profond et mesure, la bathymétrie est la science qui permet de mesurer les profondeurs de l'océan mais également des lacs, des rivières et de tout élément liquide pour déterminer la topographie du sol d'icelui.

En effet, si il est d'usage d'associer la bathymétrie aux relèvements et aux mesures des profondeurs marines par sondage, rien n'interdit d'utiliser le même terme pour des relèvements effectués dans les zones lacustres ou bien encore dans les rivières.

Aujourd'hui les mesures sont effectuées en utilisant la réflexion d'ondes acoustiques à l'aide de sondeurs de tous types, mais il en est était bien entendu différemment dans des époques plus reculées où l'homme avait besoin de ces notions de profondeurs, même vagues, pour explorer de nouvelles contrées ou de nouveaux continents en toute sécurité, notamment par temps de brume.

Au début de ses aventures maritimes, l'homme utilise un fil gradué, chargé d’un poids profilé pour évaluer la profondeur de l’eau, de forme creuse en dessous, pour pouvoir y fixer une balle de suif. Cette balle permet de ramener les matériaux provenant du fond et déterminer, grâce à l'interprétation de la nature du fond, sable, cailloutis, ou vase, s’il convenait de jeter l’ancre.

Non seulement ces marins faisaient sans le savoir de la Bathymétrie, mais ils utilisaient une autre science que l'on appelle aujourd'hui sédimentologie, mais également et bien entendu de la cartographie.

Jusque dans la moitié du 20 ème siècle les pêcheurs utilisaient ces techniques, qui leur permettaient de pouvoir effectuer les réglages optimums pour leurs apparaux de pêche, type chalut.

Ils pouvaient, grâce à l'expérience de leurs relevés, reconnaître les fonds déjà travaillés par recoupement avec les temps de route et les moyens rudimentaires de positionnement de l'époque, amers ou autres.

Ce sont les anciens marins de commerce qui les premiers ont mesuré à l'aide de plomb de sonde la profondeur des mers aux abords des rivages sur lesquels ils comptaient débarquer.

Les marins Normands utilisèrent en 1066 les informations fournies par leurs pères Vikings pour traverser la Manche et débarquer en Angleterre, mais c'est au début de la renaissance que les expéditions portugaises, espagnoles, anglaises et françaises ont entrepris l'exploration systématique des mers ainsi que la cartographie exhaustive des côtes.

Ainsi, si en 1521, Magellan tente une bathymétrie du Pacifique, il en est empêché par la profondeur, ses lignes plombées ne dépassant pas 800 mètres.

2 siècles et demi plus tard, en 1785, le roi Louis XIV envoie un de ses marins les plus valeureux, Jean-François de Galaup, comte de Lapérouse pour effectuer, autour du monde une expédition ramenant des précieux renseignements scientifiques sur les côtes découvertes, permettant d'ouvrir ces mondes inconnus aux futures expéditions coloniales françaises.

Ors à bord de la Boussole et comme souvent dans ce type d'expédition, embarque un ingénieur géographe, nommé Bernizet, chargé de faire les relevés des sondes à l'approche de côtes et d'en établir la cartographie, en bref de la "bathymétrie"

Depuis ces années où ces handicaps technologiques étaient compensés par la fréquence des relevés, les navires chargés de faire les relevés bathymétriques sont équipés de systèmes acoustiques que l'on appelle sondeur ou échosondeur.

Le terme réel étant sondeur acoustique monofaisceau.

Créés dans le but d'équiper les navires au cours de la première guerre mondiale, Paul Langevin s'est vu confié la mission d'étudier la mise au point d'un sondeur à ultra sons, mais ce n'est qu'en 1920 que le premier appareil voit le jour.

Plus largement utilisés au cours de la deuxième guerre mondiale pour la reconnaissance des fonds à l'abord des côtes, les sondeurs se sont largement vulgarisés depuis une trentaine d'année.

Les utilisateurs potentiels ont vu apparaitre sur le marché les premiers sondeurs à éclat qui leur donnaient une simple information sur la profondeur, sous la forme d'une lumière repérée sur un cercle gradué suivant les profondeurs choisies, puis ensuite les sondeurs enregistreurs qui retranscrivaient plus ou moins fidèlement la coupe du fond sur un papier spécifique fort onéreux.

Et enfin jusqu'à aujourd'hui où les sondeurs sont vidéo et permettent de nombreuses fonctions comme l'enregistrement, le couplage avec un GPS, une cartographie, etc….

Si ces appareils sont destinés à obtenir des renseignements, et visualiser les hauteurs d'eaux sous le navire, ils ne sont autorisés à effectuer des relevés bathymétriques réels.

En effet, ces derniers sont soumis aux règles de marées, aux pressions atmosphériques ainsi qu'a tout élément faisant varier les hauteurs dans l'absolu et non pas par rapport à un paramètre de surface changeant.

C'est pourquoi, en plus des systèmes d'acquisitions bathymétriques, sondeurs de tous types, les résultats ne peuvent être fiables que si ils sont positionnés précisément, en x, y, mais surtout en Z, le Z représentant la hauteur, autant en topographie qu'en bathymétrie.

Encore aujourd'hui, dans les zones éloignées de tous points de référence géodésique ou encore hors de portée des émetteurs différentiels, le marégraphe est toujours employé pour corriger les erreurs.

Par contre, dans la plupart des cas, sont utilisés les systèmes GPS centimétriques de types RTK (Real Time Kinematic). En effet l'efficacité actuelle des systèmes GPS classiques ne permet pas une précision suffisante, surtout pour le Z

Autrefois la bathymétrie était essentiellement utilisée pour établir une cartographie permettant une navigation plus sure, autant en mer qu'en rivière et connaître la hauteur d'eau sous la quille.

Elle est aujourd'hui indispensable à une connaissance globale des fonds qui va permettre d'autres travaux, comme le dragage, le suivi portuaire, l'étude de l'envasement et l'estimation des couches sédimentaires.

Parmi les solutions d'acquisition bathymétrique, aujourd'hui deux types de techniques se côtoient et fournissent des résultats parfois éloignés en fonction du but recherché, bathymétrie pure ou modélisation des fonds, mais présentent chacun des avantages différents: Les sondeurs mono faisceaux et multifaisceaux.

Il existe pourtant d'autres techniques permettant des relevés bathymétriques, comme la bathymétrie laser, qui peut être mise en œuvre à partir d'un aéronef, et est basée sur la mesure de la différence de temps de parcours d'un même rayon lumineux réfléchi par la surface de la mer et par le fond. Cette technique étant réservée à des opérations lourdes et coûteuses, nous ne nous intéresserons qu'à l'utilisation des sondeurs acoustiques, où la profondeur est déduite de la mesure du temps de trajet d'un signal acoustique réfléchi par le fond.

A l’origine, les systèmes de sondeurs étaient tous à faisceau unique et captaient à intervalles réguliers des profondeurs distinctes sous le navire.

Aujourd’hui, grâce à la puissance des systèmes électroniques et informatiques, il est possible de conjuguer plusieurs faisceaux qui balayent une large bande sur le fond et fournissent des mesures bathymétriques en continu. La largeur de la zone traitée est proportionnelle à la hauteur d'eau sous la sonde fixée sous le navire.

Le système mono faisceau, qu'il soit destiné à l'utilisation professionnelle pour la pêche, la marine, ou encore le relevé bathymétrique est d'une conception comparable à celui utilisé pour la navigation de plaisance.

La différence se situe dans la qualité des différents capteurs, transducteurs mono ou multi fréquence et surtout de la vitesse de transmission des données, ainsi un plaisancier n'aura besoin que d'une sonde lui donnant une indication de profondeur, sécurisant son approche des côtes, les pêcheurs et plongeurs amateurs rechercheront la coupe d'un fond rocheux ou encore le dessin d'une épave, alors que le pêcheur professionnel aura lui besoin d'avoir une information plus complète sur la dureté des fonds et éventuellement des bancs de poissons qui s'y trouvent.

L'océanographe en mission de relevés bathymétriques aura besoin lui, d'une précision maximale sur un maximum de paramètres, le tout bien entendu couplé en temps réel avec son positionneur. Il recherchera en priorité l'angle d'ouverture ou largeur du faisceau, la fréquence de l'appareil mais aussi la rapidité de transmission des données.

Le deuxième paramètre qui fait toute la distinction entre les différents utilisateurs est la façon dont l'information est traitée "in fine".

Les appareils électroniques non destinés aux relevés océanographiques seront suffisants, juste pourvus d'une interface utilisateur, alors que pour des relevés océanographiques des logiciels d'acquisition et de traitement seront indispensables.

Le prix de ces logiciels dépasse souvent largement le prix du sondeur, allant quelque fois jusqu'à dix fois le prix de ce dernier.

Il est important de noter qu'à ces logiciels d'acquisition et traitement s'adjoignent quelque fois des logiciels de traitement et d'imagerie permettant de réaliser images géo-référencées, images en trois dimensions ainsi que des vidéos, à partir des données bathymétriques.

Si ces logiciels ne sont pas indispensables à la bathymétrie réalisée à l'aide d'un sondeur monofaisceau, ils le deviennent dès lors que l'on passe à l'utilisation d'un sondeur multifaisceaux.

L'avantage principal du sondeur multifaisceaux, est qu'en un seul passage il peut acquérir la bathymétrie d'une bande pouvant atteindre plusieurs kilomètres de largeur, suivant la profondeur de la zone traitée. En moyenne on compte de 5 à 7 fois la profondeur.

Le principe en est simple puisque la technologie de base est la même mais transposée à un outil qui permet d'envoyer plusieurs émissions acoustiques, faisceaux, en même temps à partir d'un ou plusieurs transducteurs. La largeur des faisceaux est moins importante que dans le cas d'un sondeur simple, mais la multiplicité de ces derniers permet de couvrir de larges bandes.

Si l'utilisation d'un sondeur multifaisceaux permet de gagner un temps considérable lors de l'acquisition, le traitement est lui plus important. Le nombre de données acquises étant multiplié par autant de faisceaux l'ordinateur et le logiciel qui réalisera une visualisation doivent être d'une puissance très élevée.

Contrairement à la bathymétrie réalisée avec un sondeur classique, celle réalisée grâce à l'utilisation du multifaisceaux est largement plus complexe, car elle nécessite un appareillage plus important et plus lourd mais aussi l'adjonction d'outils spécifiques tels une centrale d'attitude, qui permet de corriger le tangage et le roulis du navire support.

La sonde est également plus importante autant en volume qu'en poids, et si l'acquisition mono faisceaux peut se faire à partir d'un PC portable, celle multifaisceaux nécessite un ou plusieurs ordinateurs puissants.

Le post traitement permettra, à l'aide de logiciels spécifiques de réaliser des visualisations 3d des fonds, permettant toutes les études et calculs possibles à partir des données acquises.

En France ce sont les scientifiques de l'Ifremer qui les premiers ont utilisé la technologie multifaisceaux, encore aujourd'hui, réservée à des budgets élevés, mais l'évolution permanente des technologies autorise certaines structures portuaires et fluviales à s'équiper de sondeurs de dernière génération.

La bathymétrie est une science à part qui nécessite déjà de bonnes connaissances en océanographie et bien entendu en navigation pour ce qui est de la partie maritime et même fluviale, elle peut par contre être quelque fois assimilée à la topographie, pour de petites applications de types bassins ou lagunes.

Mais si les entreprises qui réellement font de la bathymétrie sont aujourd'hui clairement identifiées de par leurs compétences, leur matériel ou encore leurs diverses expériences, le donneur d'ordre est quelque fois amené à confondre bathymétrie et topographie, qui sont deux techniques différentes et pas uniquement en rapport avec le milieu environnant, aquatique pour les uns et terrestres pour les autres.

Ce sont également les techniques, les utilisations, et l'approche globale des travaux qui changent fondamentalement.

Même si il existe quelques sociétés qui tentent une approche globale des deux services, il est d'usage que la topographie soit réservée aux géomètres, et la bathymétrie aux hydrographes.

L'avènement des techniques modernes, les multiples usages de la bathymétrie, le changement des fonds marins et le manque de données dans les régions peu explorées laissent espérer que la bathymétrie a de beaux jours devant elle et que cette science qui était réservée aux explorateurs océanographes il y a quelques siècles, devienne aujourd'hui un des outils modernes indispensable à la connaissance et l'exploration sous marine.