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Les merveilles de l’informatique : comment automatiser la délimitation des bassins versants à l’aide de modèles numériques d’élévation ?
La délimitation d'un bassin versant est le processus d'identification des limites d'un bassin versant, également appelé communément bassin versant, bassin de drainage ou bassin fluvial. Il s’agit d’une étape importante dans de nombreux domaines des sciences de l’environnement, de l’ingénierie et de la gestion, comme l’étude des inondations, des habitats aquatiques ou de la pollution de l’eau. Historiquement, la délimitation des bassins versants a été effectuée manuellement par des géographes, des scientifiques et des ingénieurs sur des cartes topographiques papier. Cependant, grâce à l’utilisation des ordinateurs et des données électroniques, des méthodes automatisées de délimitation des bassins versants ont été développées depuis les années 1980 et sont désormais largement utilisées.
Un bassin versant est une unité géographique de base en hydrologie, l’étude du mouvement, de la distribution et de la gestion de l’eau sur Terre.
Les méthodes actuelles de délimitation automatisée des bassins versants utilisent principalement des modèles numériques d'élévation (MNE), qui sont des ensembles de données représentant la hauteur de la surface de la Terre. La délimitation numérique des bassins versants au moyen de logiciels de modélisation hydrologique spécialisés tels que WMS, ou de logiciels de systèmes d’information géographique (SIG) tels qu’ArcGIS ou QGIS, ou même à l’aide de langages de programmation tels que Python ou R, a considérablement amélioré l’efficacité.
Histoire de la délimitation artificielle des bassins versants
Les méthodes traditionnelles de délimitation des bassins versants sont souvent réalisées à la main sur des cartes topographiques papier ou à l’aide de superpositions transparentes. Les chercheurs utilisent des compteurs pour estimer la superficie d’un bassin versant ou numériser les résultats pour les utiliser dans un logiciel de cartographie. Même à l’ère du numérique, la délimitation manuelle des bassins versants reste une compétence utile pour confirmer que les limites des bassins versants générées par logiciel sont correctes. Selon l’United States Geological Survey, il existe cinq étapes pour délimiter un bassin hydrographique artificiel :
- Recherchez des points d'intérêt le long de la rivière sur la carte, également appelés « points de drainage des bassins versants ».
- Imaginez ou dessinez des lignes d’écoulement d’eau pointant vers le bas à partir de la pente la plus raide des contours du terrain.
- Marque les points hauts topographiques (pics) entourant la rivière.
- Marque des points (crêtes) le long des courbes de niveau qui divisent la direction du flux.
- Relier les marqueurs pour définir la zone du bassin versant.
Pendant ce processus, les limites du bassin versant doivent être perpendiculaires aux courbes de niveau franchies et ne doivent pas traverser la rivière, sauf au point de rejet. Bien que les méthodes manuelles soient plus précises, elles sont soumises au jugement de l'analyste et peuvent nécessiter des visites sur le terrain pour confirmer les caractéristiques du terrain dans certains cas.
Avantages de la délimitation automatisée des bassins versants
La délimitation des bassins versants à l’aide d’un logiciel informatique est beaucoup plus rapide que les méthodes manuelles traditionnelles et les résultats sont plus cohérents car la subjectivité est éliminée. Les méthodes automatisées de délimitation des bassins versants sont largement utilisées dans les communautés scientifiques et d’ingénierie depuis les années 1980. Ces dernières années, les scientifiques ont même appliqué des méthodes informatiques pour délimiter les bassins versants sur Mars.
La délimitation automatisée des bassins versants utilise des données numériques de terrain pour calculer la direction de l'écoulement et le débit accumulé grâce à des modèles numériques d'élévation (DEM).
Il existe deux principales méthodes pour obtenir des modèles numériques d'élévation. La première méthode consistait à numériser des cartes topographiques sur papier, tandis qu'aujourd'hui, on recourt principalement à la télédétection aérienne ou par satellite. Pour obtenir des résultats fiables de délimitation des bassins versants, le modèle numérique d'élévation doit d'abord être traité ou « conditionné » pour combler les dépressions et calculer la direction de l'écoulement et le débit accumulé.
Développement d'outils logiciels
Les logiciels spécialisés pour la délimitation des bassins versants sont issus du FORTRAN, tels que CATCH et DEDNM. Grâce à l’utilisation de systèmes d’information géographique (SIG) et de logiciels de modélisation hydrologique, des outils de délimitation des bassins versants ont été intégrés dans de nombreux logiciels SIG populaires tels qu’ArcGIS, QGIS et GRASS GIS. Il existe également des programmes autonomes de délimitation des bassins versants tels que TauDEM, ainsi qu'un certain nombre d'outils de sites Web spécifiques à la région qui offrent des fonctionnalités supplémentaires telles que des statistiques sur le débit des cours d'eau et une analyse de la qualité de l'eau.
Dans le processus d'automatisation, comme les algorithmes de calcul de direction d'écoulement tels que D8 et D∞, le choix entre différents algorithmes affectera également la précision des résultats.
Malgré l’efficacité significative de la délimitation électronique des bassins versants, ces méthodes ne sont pas toujours correctes car des erreurs peuvent survenir en raison de problèmes tels que la précision et la résolution des données numériques du terrain. De plus, de nombreuses organisations soulignent encore que les résultats automatisés doivent être vérifiés pour vérifier leur exactitude.
Alors que nous évoluons vers un avenir automatisé, comment pouvons-nous garantir que les informations que nous obtenons nous seront réellement utiles pour gérer notre environnement ?
