La mesure du niveau de la mer par bouées GPS : l'expérience multi-capteurs de l'île d'Aix

Une expérience multi-capteurs s'est déroulée à l'île d'Aix les 27 et 28 Mars 2012. Lors de cette expérience organisée par le LIENSs, trois organismes (CNRS/INSU, IPGP et SHOM) ont déployé leur bouée équipée d'une antenne GPS, conçue pour mesurer le niveau de la mer. Les hauteurs d'eau obtenues avec les bouées ont été comparées avec celles fournies par le marégraphe permanent RONIM (LIENSs, SHOM, CG17, commune Île d'Aix) installé sur l'île afin d'évaluer leur précision. Les premiers résultats montrent une bonne correspondance entre les données de niveau de la mer fournies par ces deux types d'instruments.

Déploiement de 3 bouées GNSS françaises lors de la campagne multi-appareils organisée par LIENSs à l'observatoire marégraphique RONIM de l'île d'Aix. Au premier plan : le marégraphe RONIM, en arrière-plan, de gauche à droite : la bouée GNSS du SHOM, la bouée GPS de l'IPGP, la bouée GPS du LEGOS/DT-INSU, le fort Boyard (Crédits SHOM - Séverine Enet, mars 2012). Cliquer sur la photo pour l'agrandir.

Déploiement des 3 bouées GPS lors de la campagne multi-appareils organisée par LIENSs à l'observatoire marégraphique RONIM de l'île d'Aix. Au premier plan : le marégraphe RONIM ; en arrière-plan et de gauche à droite : la bouée GNSS du SHOM, la bouée GPS de l'IPGP, la bouée GPS du LEGOS/DT-INSU et le fort Boyard (Crédits SHOM, S. Enet, mars 2012). Cliquer sur la photo pour l'agrandir.

 

Présentation de la zone d'intercomparaion

Les 27 et 28 Mars 2012, trois prototypes de bouées GPS ont été déployées à l'île d'Aix (Charente-Maritime), aux abords de la jetée Barbotin, dans une zone relativement abritée à 10 mètres de profondeur à proximité du marégraphe permanent et d'une échelle de marée afin d'étudier la précision de ce type de capteur pour la mesure du niveau de la mer.

L'île d'Aix, un observatoire du niveau de la mer équipée d'un marégraphe radar, d'une station météorologique et d'une station GPS permanente. Tracé des trajectoires des bouées GPS (photos source Géoportail, 2013 modifié). Cliquer sur la figure pour l'agrandir

L'île d'Aix, un observatoire du niveau de la mer équipée d'un marégraphe radar, d'une station météorologique et d'une station GPS permanente. Tracé des trajectoires des bouées GPS (photos source Géoportail, 2013 modifié). Cliquer sur la figure pour l'agrandir

 

Présentation des bouées GPS et des autres appareils

Les trois bouées munies d'une antenne GPS utilisées lors de l'expérience ont été développées indépendamment par : le CNRS/INSU (Institut national des sciences de l'Univers du Centre national de la recherche scientifique, l'IPGP (Institut de Physique du Globe de Paris) et le SHOM (Service hydrographique et océanographique de la marine).

Présentation des trois bouées GPS avec de gauche à droite : la bouée SHOM, la bouée du CNRS/INSU et la bouée de l'IPGP. Cliquer sur la photo pour l'agrandir

Présentation des trois bouées GPS avec de gauche à droite : la bouée SHOM, la bouée du CNRS/INSU et la bouée de l'IPGP. Cliquer sur la photo pour l'agrandir

 

A proximité de la zone de déploiement se trouve l'observatoire marégraphique permanent comprenant un marégraphe radar RONIM (LIENSs, SHOM, CG17, commune Île d'Aix) transmettant en temps réel les mesures du niveau de la mer et une échelle de marée. A noter également que le 28 Mars, les hauteurs d'eau ont également été mesurées manuellement sur un cycle de marée à l'aide de l'échelle de marée et avec une sonde lumineuse. D'autres mesures complémentaires (non exploitées par la suite) ont été réalisées comprenant des mesures gravimétriques, courantométriques et de nivellement.

 

Traitement des données

Les données des bouées GPS ont été traitées en mode différentiel par rapport à la station de référence ILDX du Réseau GNSS Permanent (RGP) de l'IGN. Premièrement, les données de la station de référence ont été traitées en mode statique en utilisant le logiciel GAMIT/GLOBK du MIT (Herring et al., 2006) et d'autre part, la position des bouées a été estimée par rapport à cette station de référence en utilisant le logiciel TRACK de la suite logicielle GAMIT/GLOBK. Les traitements ont été effectués en utilisant les orbites précises du Service International GNSS (IGS) et en appliquant un angle de coupure de 10°. Lors des traitements les deux fréquences L1 et L2 ont été utilisées séparément, ce qui offre de meilleurs résultats pour les lignes de base courtes par rapport à l'utilisation de la combinaison linéaire iono-free. Le traitement en mode différentiel suppose que la ionosphère et de la troposphère sont identiques entre la station de référence à terre et les bouées.

Différences entre la hauteur du niveau marin mesurée par les bouées et le marégraphe radar. La hauteur ellipsoïdale du niveau de la mer mesurée par le radar est représenté par la ligne noire avec l'axe des ordonnées à droite - Cliquer sur la figure pour l'agrandir

Différences entre la hauteur du niveau marin mesurée par les bouées et le marégraphe radar. La hauteur ellipsoïdale du niveau de la mer mesurée par le radar est représenté par la ligne noire avec l'axe des ordonnées à droite - Cliquer sur la figure pour l'agrandir

 

Des technologies différentes observant le niveau de la mer mais une même hauteur obtenue aux incertitudes près 

Le test de Van de Casteele est utilisé pour évaluer la performance d'un marégraphe (COI , 1985 ; Martin Miguez et al., 2008). Il implique la mesure simultanée des hauteurs d'eau à la fois par le marégraphe en cours de calibration et par le capteur utilisé comme référence. Les différences entre les deux mesures sont calculées (ΔHe) et reportées dans l'axe X alors que la hauteur ellipsoïdale du niveau de la mer (He) est tracée dans l'axe Y. En supposant que le capteur de référence fournit des données précises, une ligne verticale centrée à zéro indiquerait que le marégraphe testé fournit également de bonnes données. Dans notre cas, les mesures visuelles prises à l'échelle de marée le 28 Mars ont été utilisées comme référence. Quoique rudimentaire, ce type de mesures visuelles prises par des opérateurs expérimentés dans des conditions de mer calme peut s'avérer très fiable.

Résultats du test de Van de Casteele pour les trois bouées GPS en utilisant le marégraphe radar comme une référence - Cliquer sur la figure pour l'agrandir

Résultats du test de Van de Casteele pour les trois bouées GPS en utilisant le marégraphe radar comme une référence - Cliquer sur la figure pour l'agrandir

 

Après avoir vérifié la bonne qualité des mesures du marégraphe radar, celui-ci est utilisé comme référence pour évaluer la précision des mesures des bouées GPS. Plusieurs facteurs peuvent expliquer les différences de hauteur mesurées par les bouées GPS visibles sur les deux figures ci-dessus (André et al., 2013) :

  1. l'erreur de nivellement de la hauteur de l'antenne par rapport à la surface de l'eau,
  2. l'inclinaison de la bouée IPGP à marée basse,
  3. des différences de topographie dynamique locale en raison du vent et les courants.

 

En dépit de ces différences, l'ensemble des résultats montrent que les trois bouées donnent des mesures du niveau de la mer comparables à celles du marégraphe radar.

 

et après ?

Ces premiers résultats encourageants, obtenus au cours de cette expérience ouvrent de nouvelles perspectives passionnantes :

  • Au-delà de la marée : les séries temporelles à 1 Hz seront étudiées afin d'évaluer la capacité des bouées pour la mesure d'autres phénomènes compris dans la gamme de fréquence supra-tidal comme les seiches ou des vagues.
  • Traitement PPP : les données GPS seront traitées en mode PPP (Precise Point Positioning). Cette méthode moins précise que le mode différentiel pour de courtes lignes de base s'avère cependant d'une efficacité redoutable lorsque la bouée se situe loin d'une station de référence. Ainsi, si ce type de traitement fournit des résultats probants, l'utilisation de ce type de bouées ne serait alors plus limitée aux zones côtières.

 

Références

 

Pour en savoir plus

D'autres actualités gravitant autour de la marégraphie sont à découvrir :