CARTOGRAPHIE NUMERIQUE ET VALORISATION DES CARTES (partie 1/4)

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce cours, l’élève sera capable de :** - Décrire les étapes de la collecte, du traitement et de la diffusion des données géographiques dans un projet de géomatique. - Utiliser un récepteur GPS en milieu forestier en appliquant les corrections nécessaires aux effets du couvert arboré. - Réaliser une chaîne de production cartographique numérique : acquisition terrain, traitement SIG, export et partage de l’information. - Respecter les règles de sécurité et d’hygiène liées au travail en extérieur et à la manipulation des équipements électroniques. **Prérequis :** - Notions de base en cartographie traditionnelle (échelle, projection, coordonnées géographiques). - Connaissances élémentaires du système d’information géographique (SIG) : couches, attributs, symbologie. - Manipulation d’un ordinateur (système d’exploitation Windows/Linux, logiciel SIG libre type QGIS). - Notions de sécurité au travail (port de EPI, manipulation de batteries lithium). --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, la gestion durable des ressources forestières, la planification des infrastructures routières et la prévention des risques naturels nécessitent une information géographique précise et actualisée. La géomatique moderne repose sur l’acquisition de données terrain (GPS, télédétection, levé topographique), leur traitement dans un environnement SIG et leur diffusion sous forme de cartes numériques ou de services web. Ce chapitre présente, en deux leçons complémentaires, les méthodes de collecte et de traitement des données géographiques (Leçon 12) puis les spécificités de l’utilisation du GPS sous couvert arboré (Leçon 13), compétences essentielles pour le probatoire des séries TGF. --- ## I. Leçon 12 : collecte, traitement des données géographiques et diffusion de l’information géographique ### 1. Collecte des données géographiques La collecte constitue la première étape de la chaîne géomatique. Elle vise à obtenir des mesures géoréférencées fiables, représentatives du phénomène étudié. **Sources de données :** - **Données primaires** : relevés topographiques (nivellement, théodolite, station totale), mesures GPS, photogrammétrie aérienne ou drone, télédétection satellitaire (Landsat, Sentinel‑2). - **Données secondaires** : cartes papier existantes, bases de données publiques (IGN, MINEPAT), relevés de terrain issus d’enquêtes socio‑économiques. **Équipements de terrain :** - Récepteur GPS double fréquence (ex. Trimble R10, Leica GS14) avec antenne externe. - Station totale robotisée (ex. Leica TS06) pour les levés de précision (< 5 mm). - Tablette ruggedisée avec application de saisie attributaire (QField, ArcGIS Collector). **Procédure de collecte (pas à pas) :** 1. **Préparation de la mission** : définition du périmètre, élaboration du cahier des charges, vérification des autorisations (forestière, communale). 2. **Calibrage des instruments** : vérification du zéro du niveau, mise à jour du firmware GPS, contrôle de la batterie (> 80 %). 3. **Acquisition des points de contrôle** : implantation de repères géodésiques (bornes en béton) connus du réseau IGN, relevé en double mesure (aller‑retour). 4. **Levé détaillé** : suivi des trajectoires (track) GPS avec intervalle de 1 s, prise de points d’intérêt (PI) avec attributs (type de couverture, état de santé des arbres). 5. **Contrôle qualité sur le terrain** : vérification du PDOP (< 2,0), visualisation immédiate des points sur la tablette, reprise si écart > 0,5 m. > *Le PDOP (Position Dilution of Precision) quantifie l’effet de la géométrie des satellites sur la précision du positionnement ; un PDOP < 2,0 est considéré comme acceptable pour un levé topographique de précision métrique.* ### 2. Traitement des données géographiques Une fois les données brutes recueillies, elles subissent un traitement visant à éliminer les erreurs systématiques, à les homogénéiser et à les structurer dans un SIG. **Étapes de traitement :** - **Prétraitement** : conversion des fichiers GPS (GPX, NMEA) en format shapefile ou GeoPackage, suppression des points aberrants (filtre de vitesse > 5 m/s). - **Correction différentielle** : application d’une correction DGPS ou RTK à partir d’une base de référence permanente (ex. station CORS du Cameroun) afin d’obtenir une précision centimétrique. - **Projection et datum** : reprojection en système de coordonnées national (UTM zone 32N pour l’ouest du pays, UTM zone 33N pour l’est, datum WGS84, ellipsoïde GRS80) ou en projection locale (Lambert Conformal Conic – Cameroon). - **Topologie** : création de règles de topologie (pas de doublons, lignes connectées, polygones fermés) dans QGIS via le module *Topology Checker*. - **Attribution** : jointure des attributs terrain (espèce, diamètre, état sanitaire) aux entités géométriques à l’aide d’une jointure par attribut ou par localisation. - **Analyse spatiale** : calcul de surfaces forestières, génération de courbes de niveau (interpolation IDW ou kriging), analyse de proximité (buffer 30 m autour des cours d’eau). **Exemple chiffré :** Un levé de 25 ha de forêt secondaire a produit 12 400 points GPS. Après filtrage (PDOP < 2,0, vitesse < 5 m/s) il reste 11 200 points. L’application d’une correction RTK (base à 5 km, précision ± 2 cm) réduit l’erreur quadratique moyenne de 0,48 m à 0,03 m. La surface calculée par polygone concave est de 24,93 ha (écart < 0,3 % par rapport à la référence cadastrale). > *La correction RTK (Real‑Time Kinematic) fournit des corrections en temps réel via un lien radio ou cellulaire, permettant une précision centimétrique tant que la liaison avec la base est maintenue.* ### 3. Diffusion de l’information géographique La diffusion vise à rendre les résultats exploitables par les décideurs, les techniciens de terrain ou le grand public, sous forme de cartes papier, de services web ou de données ouvertes. **Formats de sortie :** - **Cartes statiques** : PDF/A‑1b, échelle 1 : 10 000, légende normalisée (symbologie de l’IGN camerounais). - **Web GIS** : publication sur un serveur GeoServer ou MapServer, couches WMS/WMTS, accès via URL (ex. `http://geoportail.cm/forets`). - **Données ouvertes** : export en GeoPackage, CSV avec attributs, licence ODbL, dépôt sur le portail national des données ouvertes (data.gov.cm). **Procédure de diffusion (pas à pas) :** 1. **Mise en page** : création d’un modèle de mise en page dans QGIS (titre, échelle, nord, légende, crédits). 2. **Export** : `Project ► Import/Export ► Export Map to PDF` avec résolution 300 dpi, puis compression du fichier PDF en ZIP si nécessaire. 3. **Publication web** : ajout des couches dans GeoServer, définition des styles SLD, activation du cache tile (GeoWebCache) pour améliorer les performances. 4. **Métadonnées** : remplissage du fichier ISO 19115 (titre, résumé, mots‑clés, date de création, responsable, système de référence). 5. **Diffusion** : partage du lien via la plateforme institutionnelle, envoi d’une notification aux services forestiers régionaux. > *Les métadonnées ISO 19115 garantissent l’interopérabilité et la traçabilité des données géographiques, exigence minimale pour tout projet financé par l’État camerounais.* --- ## II. Activités d’intégration Cette activité permet de mettre en pratique les connaissances des deux leçons dans un scénario réaliste : **levé d’une parcelle forestière destinée à un reboisement communautaire dans la région de l’Est**. ### Objectif de l’activité Réaliser une chaîne complète : acquisition GPS sous couvert arboré, traitement SIG, production d’une carte de potentiel de reboisement et diffusion auprès du comité villageois. ### Déroulement (4 h) | Étape | Durée | Action principale | Résultat attendu | |-------|-------|-------------------|------------------| | 1. Briefing sécurité | 15 min | Port du casque, gants, vérification des batteries GPS | Conscience des risques (chute, morsure d’insecte) | | 2. Installation de la base RTK | 30 min | Déploiement de la antenne de référence sur un point connu (borne IGN) | Liaison RTK établie (PDOP < 1,5) | | 3. Levé terrain (track) | 90 min | Parcours de la parcelle (200 m × 250 m) avec enregistrement chaque seconde | Fichier GPX brut (~ 5 400 points) | | 4. Saisie attributaire | 30 min | Enregistrement de l’espèce, du diamètre à hauteur de poitrine (DBH) et de l’état sanitaire pour 50 arbres sélectionnés | Table attributaire jointe aux points | | 5. Retour bureau – prétraitement | 30 min | Conversion GPX → GeoPackage, filtrage PDOP, suppression outliers | Jeu de points nettoyé | | 6. Correction différentielle | 20 min | Application RTK via poste de base (fichier RTCM) | Précision finale ± 3 cm | | 7. Analyse SIG | 30 min | Création de polygones de peuplement, calcul de densité (arbres/ha), génération de carte de potentiel (zones à faible densité) | Couche « Potentiel de reboisement » | | 8. Mise en page & diffusion | 15 min | Élaboration de la légende, export PDF, envoi par WhatsApp au comité | Carte prête à l’usage communautaire | ### Évaluation - **Produit** : carte PDF à l’échelle 1 : 5 000, légende conforme, précision déclarée < 0,05 m. - **Rapport** : compte‑rendu de 2 pages décrivant les étapes, les difficultés rencontrées (ex. perte de signal sous couvert dense) et les solutions appliquées (utilisation d’antenne externe, pauses de re‑synchronisation). > *En milieu forestier camerounais, la perte de signal GPS sous couvert dense peut atteindre 30 % du temps d’acquisition ; l’utilisation d’une antenne externe à gain élevé (≥ 5 dBi) et la planification de pauses de re‑synchronisation toutes les 5 min réduisent cet effet à moins de 10 %.* --- ## III. Leçon 13 : Utilisation du GPS sous un couvert arboré ### 1. Principes du GPS Le système de positionnement global (GPS) repose sur la trilatération à partir de signaux émis par une constellation de satellites (24 satellites actifs, orbite moyenne 20 200 km). Le récepteur mesure le temps de propagation du signal pour déterminer sa distance à chaque satellite ; quatre satellites minimum permettent de résoudre les trois coordonnées spatiales et l’horloge du récepteur. **Précision théorique** : - En ciel ouvert, avec réception de 8 satellites et PDOP < 1,5, la précision horizontale théorique est d’environ 2,5 m (C/A code) ou 0,02 m (phase porteuse, RTK). ### 2. Effets du couvert végétal Le feuillage, les branches et le tronc provoquent : - **Atténuation du signal** (absorption et diffusion) → baisse du rapport signal/bruit (SNR). - **Masquage de satellites** → réduction du nombre de satellites visibles, augmentation du PDOP. - **Multipath** : réflexions sur le feuillage créent des faux délais de propagation. Ces phénomènes entraînent une dégradation de la précision pouvant passer de quelques mètres à plusieurs dizaines de mètres selon la densité du couvert. > *Le facteur d’atténuation (FA) du couvert forestier peut être estimé par FA = e^(‑k·LAI), où LAI est l’indice de surface foliaire et k≈0,5 pour une fréquence L1 (1575,42 MHz). Un LAI de 4 donne FA≈0,14, soit une perte de 86 % de puissance du signal.* ### 3. Techniques d’atténuation Pour maintenir une utilisation opérationnelle du GPS sous couvert, on combine : | Technique | Principe | Mise en œuvre au Cameroun | |-----------|----------|---------------------------| | Antenne externe à gain élevé | Augmente la puissance reçue, réduit l’impact de l’atténuation | Antenne L1/L2 à gain 5 dBi montée sur un mât de 2 m, câble RG‑174 vers le récepteur | | Utilisation de fréquences L2C/L5 | Signaux plus résistants à l’atténuation végétale | Récepteurs compatibles L2C (ex. u‑blox M8T) | | Aiding par GLONASS/Galileo | Augmente le nombre de satellites visibles | Activation des constellations dans les paramètres du récepteur | | Post‑traitement différentiel (PPP) | Corrige les erreurs résiduelles après acquisition | Utilisation du service CSRS-PPP du Canada (gratuit) avec fichier RINEX | | Planification de fenêtres d’observation | Profiter des périodes de faible densité de feuillage (saison sèche, tôt le matin) | Levés réalisés entre 06 h et 09 h, ou en période de décrue des feuilles (novembre‑février) | ### 4. Procédure d’acquisition sur le terrain sous couvert arboré 1. **Réconnaissance** : repérage des points hauts (clearings, pistes) pour installer la base RTK si disponible. 2. **Montage de l’antenne** : fixation sur un trépied de 1,8 m, orientation vers le ciel azimut 0°, vérification du niveau à bulle. 3. **Paramétrage du récepteur** : activation GPS+GLONASS+Galileo, masque d’élévation 10 °, taux de mise à jour 1 Hz, enregistrement en mode RAW (RINEX). 4. **Vérification du SNR** : valeurs > 30 dB-Hz sur au moins 4 satellites confirment une réception acceptable. 5. **Acquisition du déplacement (track)** : marche à vitesse constante 1 m/s, enregistrement continu. 6. **Points d’intérêt (PI)** : arrêt 5 s à chaque arbre d’échantillonnage, saisie attributaire via la tablette. 7. **Contrôle de clôture** : retour au point de départ, vérification de l’écart de boucle (< 0,5 m). 8. **Sauvegarde** : copie du fichier RINEX sur deux supports (carte SD et disque dur externe). > *Un masque d’élévation de 10 ° élimine les satellites trop bas dont les chemins traversent davantage de végétation, améliorant ainsi le SNR moyen de 3 à 5 dB‑Hz.* ### Exemple de correction post‑traitement Un tracé de 1 200 m sous couvert dense (LAI≈3,5) a donné un SNR moyen de 22 dB‑Hz et un PDOP moyen de 2,8. Après téléchargement des données brutes en format RINEX et traitement avec le service CSRS‑PPP (precise point positioning), l’erreur quadratique moyenne passée de 4,6 m à 0,07 m. > *Le service CSRS‑PPP fournit des corrections d’orbite et d’horloge satellitaires à l’échelle globale, permettant une précision centimétrique même sans base de référence locale, à condition d’avoir une observation d’au moins 30 min.* --- ## Synthèse du chapitre - **Collecte** : choix des sources (primaires/secondaires), calibrage des instruments, procédure de levé (points de contrôle, suivi track, contrôle qualité PDOP). - **Traitement** : prétraitement, correction différentielle (DGPS/RTK), projection/datum, topologie, attribution, analyse spatiale (surfaces, courbes de niveau, buffers). - **Diffusion** : formats de sortie (PDF, WMS, GeoPackage), mise en page SIG, publication web, métadonnées ISO 19115, partage auprès des parties prenantes. - **GPS sous couvert** : principes du GPS, effets du couvert végétal (atténuation, masquage, multipath), techniques d’atténuation (antenne externe, fréquences L2C/L5, multi‑constellations, PPP, planification fenêtres), procédure d’acquisition terrain (antenne, paramètres, suivi track, PI, contrôle boucle). - **Sécurité** : port d’EPI, vérification des batteries, respect des distances de sécurité avec les équipements électriques, gestion des risques liés au travail en forêt (insectes, chutes, animaux). --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | **PDOP** | Position Dilution of Precision ; indicateur de la géométrie satellitaire influençant la précision du positionnement. | | **RTK** | Real‑Time Kinematic ; technique de correction différentielle en temps réel fournissant une précision centimétrique. | | **LAI** | Leaf Area Index ; indice de surface foliaire utilisé pour estimer l’atténuation du signal GPS sous couvert végétal. | | **RINEX** | Receiver Independent Exchange Format ; format standard d’échange de données brutes de récepteurs GNSS. | | **CSRS‑PPP** | Canadian Spatial Reference System – Precise Point Positioning ; service gratuit de correction d’orbite et d’horloge pour positionnement précis. | | **WMS** | Web Map Service ; protocole OGC permettant la diffusion de cartes géoréférencées via Internet. | | **GeoPackage** | Format ouvert basé sur SQLite pour le stockage de données géospatiales (vecteur et raster). | | **SLD** | Styled Layer Descriptor ; langage XML utilisé pour définir le style des couches dans un serveur de cartes WMS. | | **Buffer** | Zone tampon créée autour d’une entité géographique à une distance spécifiée, utilisée pour l’analyse de proximité. | | **Attribut** | Information descriptive associée à une entité géométrique (ex. espèce d’arbre, diamètre, état sanitaire). | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Levé et traitement d’une parcelle agricole **Situation** : Un technicien du ministère de l’Agriculture doit déterminer la superficie exacte d’un champ de maïs de forme irrégulière situé dans le département du Littoral. Il dispose d’un récepteur GPS double fréquence et d’une tablette avec QField. **Consignes** : 1. Décrire les étapes de la collecte (préparation, calibrage, levé track, points de contrôle). 2. Indiquer le traitement nécessaire pour obtenir une précision inférieure à 0,10 m. 3. Calculer la superficie du champ à partir du polygone obtenu (données fournies ci‑dessous). **Données** : Après traitement RTK, les coordonnées (UTM zone 32N, m) des sommets du polygone sont : - A (456 320, 4 210 580) - B (456 500, 4 210 620) - C (456 560, 4 210 480) - D (456 380, 4 210 440) **Corrigé** : 1. **Collecte** : - Vérifier les autorisations d’accès au champ. - Calibrer le GPS : vérifier le zéro du niveau, mettre à jour le firmware, charger la batterie à 100 %. - Installer une base RTK sur un point connu (borne IGN à 500 m) ou utiliser le service NTRIP du réseau national. - Effectuer un levé track en marchant le long des limites du champ, enregistrer chaque seconde. - Prendre deux points de contrôle aux coins opposés (A et C) et relever en double mesure. - Contrôler le PDOP (< 1,5) et le SNR (> 30 dB‑Hz) pendant l’acquisition. 2. **Traitement** : - Convertir le fichier GPX en GeoPackage. - Appliquer la correction RTK (fichier RTCM de la base) → précision ± 2 cm. - Reprojeter en UTM zone 32N, datum WGS84. - Construire le polygone à partir des points A‑B‑C‑D. - Vérifier la topologie (pas d’autocroisement). 3. **Calcul de la superficie** : Utilisation de la formule du déterminant (méthode du lacet) : \[ S = \frac{1}{2}\left| \sum_{i=1}^{n} (x_i y_{i+1} - y_i x_{i+1}) \right| \] Avec \((x_{5},y_{5}) = (x_{1},y_{1})\). Calcul : \[ \begin{aligned} \sum x_i y_{i+1} &= 456320 \times 4210620 + 456500 \times 4210480 + 456560 \times 4210440 + 456380 \times 4210580 \\ &= 7\,687\,417\,225\,200 \\ \sum y_i x_{i+1} &= 4210580 \times 456500 + 4210620 \times 456560 + 4210480 \times 456380 + 4210440 \times 456320 \\ &= 7\,687\,417\,280\,400 \\ \text{Différence} &= \bigl|7\,687\,417\,225\,200 - 7\,687\,417\,280\,400\bigr| = 55\,200 \\ S &= \frac{1}{2} \times 55\,200 = 27\,600\ \text{m}^2 = 0,276\ \text{ha} \end{aligned} \] Ainsi, la superficie du champ est de **0,276 ha** (précision ± 0,02 ha grâce à la correction RTK). --- ### Exercice 2 – Utilisation du GPS sous couvert forestier dense **Situation** : Une équipe de l’ONG « Forêts Vertes » doit inventorier les essences commerciales dans une réserve de 150 ha située dans la région de l’Est, où le couvert forestier présente un LAI moyen de 4,2. **Consignes** : 1. Justifier le choix du matériel (antenne, fréquences, constellations). 2. Décrire la procédure d’acquisition sur le terrain (points de contrôle, track, prise d’attributs). 3. Proposer une méthode de post‑traitement permettant d’obtenir une précision finale ≤ 0,05 m. **Corrigé** : 1. **Choix du matériel** : - Antenne externe L1/L2 à gain 6 dBi montée sur un trépied de 2 m pour compenser l’atténuation (FA ≈ e^(‑0,5·4,2) ≈ 0,12 → perte de 88 %). - Récepteur compatible L2C et L5 (ex. Trimble R10) afin de profiter des signaux moins affectés par le feuillage. - Activation des constellations GPS, GLONASS et Galileo pour augmenter le nombre de satellites visibles (objectif ≥ 8 satellites, PDOP < 2). - Connexion à un service NTRIP (réseau CORS du Cameroun) pour recevoir les corrections RTK en temps réel, ou enregistrement en mode RAW pour un post‑traitement PPP si la connexion est indisponible. 2. **Procédure d’acquisition** : - **Installation de la base** : placer la antenne de référence sur une clairière connue (borne IGN) à moins de 1 km de la zone d’inventaire ; vérifier le lien RTK (fixé, PDOP < 1,5). - **Paramétrage du récepteur** : masque d’élévation 12 °, taux de mise à jour 1 Hz, enregistrement en RINEX 3.03. - **Levé track** : parcourir les transects d’inventaire (largeur 20 m, espacement 100 m) à vitesse moyenne 1,2 m/s, enregistrer en continu. - **Points d’intérêt** : à chaque arbre d’essence commerciale (ex. *Triplochiton scleroxylon*, *Entandrophragma cylindrique*), arrêter 5 s, saisir les attributs (espèce, diamètre à hauteur de poitrine, état sanitaire) via QField. - **Contrôle de boucle** : revenir au point de départ, vérifier l’écart de fermeture (< 0,3 m). - **Sauvegarde** : copier le fichier RINEX sur deux supports et noter le numéro de lot. 3. **Post‑traitement** : - Télécharger les fichiers d’éphémérides précises (IGS) et les données d’horloge du service IGS. - Utiliser le logiciel **RTKLIB** en mode **PPP‑static** avec une fenêtre d’observation de 30 min minimum par point stationnaire (les arrêts d’attributs). - Appliquer un filtre de poids basé sur le SNR (poids = SNR/50). - Obtenir des coordonnées résiduelles avec une écart type moyen de 0,03 m en planimétrie et 0,04 m en altimétrie. - Exporter le résultat final en GeoPackage, projeter en UTM zone 32N, datum WGS84. **Résultat attendu** : précision horizontale ≤ 0,05 m, permettant de distinguer les parcelles d’essence commerciale avec une erreur de superficie inférieure à 0,2 % sur l’ensemble de la réserve. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | # | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |---|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | **Oubli de vérifier le niveau à bulle de l’antenne GPS** | Inclinaison de l’antenne → biais systématique de plusieurs décimètres dans les coordonnées. | Toujours contrôler le niveau à bulle avant chaque mise en station ; remettre à zéro si nécessaire. | | 2 | **Utilisation d’une batterie partiellement chargée (< 30 %) en pleine journée de terrain** | Coupure du récepteur en cours d’acquisition → perte de données, nécessité de reprendre le levé. | Charger les batteries à 100 % la veille ; emporter une batterie de rechange et un chargeur solaire. | | 3 | **Négliger le masque d’élévation (réglé à 0 °)** | Reception de satellites bas fortement atténués par le couvert → augmentation du PDOP et du bruit. | Régler le masque d’élévation à 10‑12 ° en milieu forestier ; vérifier le nombre de satellites visibles (> 6). | | 4 | **Ne pas effectuer de contrôle de boucle après le levé** | Erreurs de fermeture non détectées → superficie ou longueur erronée dans le SIG. | Toujours revenir au point de départ et calculer l’écart de fermeture ; accepter seulement si < 0,5 m (ou selon la précision requise). | | 5 | **Manipuler le câble d’antenne près de sources d’interférences électromagnétiques (ligne haute tension, générateur)** | Brouillage du signal GPS → perte de fix, sauts de position. | Maintenir une distance minimale de 5 m entre le câble et toute source d’interférence ; utiliser des câbles blindés si nécessaire. | | 6 | **Ne pas porter d’équipement de protection individuelle (gants, casque, répulsif) en zone forestière** | Risque de coupure, de piqûre d’insecte, de chute de branche. | Porter obligatoirement des gants anti‑coupure, un casque de sécurité, des bottes renforcées et appliquer un répulsif anti‑moustiques adapté au milieu tropical. | --- *Fin du cours.*