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La géomatique au service de la caractérisation automatique des réseaux hydrographiques

Adrien Paget, Julien Perret et Jean-François Gleyze
p. 147-160

Résumés

L'analyse des phénomènes territoriaux est facilitée aujourd'hui par les Systèmes d'Information Géographique, lesquels permettent d'intégrer au sein d'une même plateforme les données géographiques et les données thématiques associées aux phénomènes d'intérêt. En pratique, les outils et les méthodes offerts par les SIG proposent d'analyser les phénomènes de manière intégrée, sans distinguer explicitement les facteurs explicatifs propres à la spatialisation des phénomènes et les facteurs explicatifs contextuels. Pour autant, les données géographiques ne se limitent pas à un simple support cartographique pour représenter les phénomènes territoriaux, mais contiennent en puissance des informations susceptibles de faire comprendre les mécanismes spatiaux qui sous-tendent ces phénomènes. En particulier, les données géographiques représentatives des réseaux hydrographiques décrivent la forme et la topologie de ces réseaux, et peuvent à ce titre fournir des informations complémentaires sur leurs types morphométriques. Sur la base de la typologie établie en géomorphométrie et des caractérisations géométriques fournies par la littérature, cet article montre qu'il est possible d'extraire l'information sémantique relative aux différents types de réseaux en automatisant leur reconnaissance, grâce à des indicateurs structurels quantitatifs construits sur leur représentation topographique. Cette démarche est mise en œuvre sur les réseaux de type parallèle, à partir de l'observation des angles formés par les tronçons hydrographiques au niveau des nœuds de confluence des réseaux. En considérant les directions moyennes empruntées par les tronçons autour de ces nœuds et en étudiant les distributions des angles qu'ils forment sur l'ensemble de la zone d'étude, il est alors possible d'élaborer une méthode de segmentation des réseaux hydrographiques, permettant de faire la part entre les réseaux de type parallèle et ceux relevant de types différents.

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GIS, graphs, morphometry, river networks
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Texte intégral

I - Introduction

1La gestion des territoires exige aujourd'hui une connaissance détaillée et précise de la topographie qui sous-tend les phénomènes s'inscrivant sur ces territoires. Qu'ils relèvent d'aménagements, de planification urbaine ou environnementale ou encore de risques naturels, les phénomènes spatialisés font intervenir des facteurs complexes, non seulement géographiques, mais également techniques, économiques, urbains, démographiques, sociaux, culturels, institutionnels, historiques ou encore psycho-sociologiques (R. d'ERCOLE et J.C. THOURET, 1995). La validité des études sur les phénomènes spatialisés dépend donc non seulement de la validité des modèles proposés, mais également, en amont, de la qualité et de la pertinence des données descriptives de ces facteurs. Par construction, le référencement spatial constitue le dénominateur commun de ces données, aussi l'analyse intégrée de celles-ci est-elle rendue possible par les systèmes d'information géographique (SIG). Dans de nombreuses études, la spatialisation des données intervient alors pour géoréférencer les informations au sein du SIG, dans le but de les confronter avec l'extension et la dynamique spatiale du phénomène d'intérêt, et de comprendre in fine les mécanismes de ces phénomènes. Pour autant, la spatialisation des données ne se traduit pas seulement par un simple géoréférencement, mais contient en puissance des informations sur la structure spatiale des facteurs décrits. Par exemple, dans le domaine des risques naturels, plusieurs études ont montré qu'il était pertinent d'analyser a priori la spatialisation des facteurs explicatifs avant de les intégrer à l'étude des phénomènes :

  • En termes de qualité des données, F. ROUSSEAUX (2004) montre que les études de risque d'inondation peuvent gagner en précision lors de l'intégration des différents jeux de données géoréférencées, en enrichissant les données descriptives du support par les données thématiques si celles-ci s'avèrent de meilleure qualité (en l'occurrence, la précision du modèle numérique de terrain peut être accrue en ajoutant des points extraits de l'occupation du sol et des réseaux routiers).

  • La spatialisation des données est également susceptible d'apporter des connaissances sur les interactions de voisinage entre les entités mises en jeu dans un phénomène, et donc sur la dynamique de ce phénomène : ainsi, B. POUPEAU (2008) propose-t-il de modéliser le positionnement relatif des bâtiments et des couches du sol et du sursol par un graphe de voisinage, afin de faciliter l'analyse ultérieure des scénarios d'évolution du terrain dans le cadre d'une étude de risques d'effondrement.

  • Enfin, la nature des objets géographiques peut induire des interactions spatiales "à distance", qui peuvent aller au delà des voisinages directs : à ce titre, J.F. GLEYZE et M. REGHEZZA (2007) montrent que l'exploitation des données articulées sur des structures spatiales en réseaux (par exemple les réseaux de transport) peut apporter des connaissances préalables sur les dépendances pouvant exister entre des zones distantes d'un territoire et éclairer la compréhension des mécanismes de dommages indirects dans une étude de vulnérabilité.

2Dans le domaine des risques comme dans tout autre domaine s'intéressant à l'étude de phénomènes spatialisés, les données géographiques interviennent donc non seulement comme support de l'analyse, mais contiennent également des informations implicites sur l'organisation spatiale de ces phénomènes.

3À défaut de disposer d'outils adéquats dans les SIG pour extraire ces informations, il incombe au géomaticien de proposer des méthodes d'analyse spatiale permettant de réaliser cette extraction et de mettre en forme les résultats ainsi obtenus, afin de les rendre exploitables par les utilisateurs.

4Ce besoin en automatisation émerge notamment pour les structures géographiques de types "réseaux", car ces derniers induisent par nature une organisation systémique de l'espace qui n'est pas explicitée dans les bases de données géographiques.

5Dans le domaine des réseaux routiers, l'analyse morphologique des tronçons apporte ainsi des connaissances sur les espaces desservis localement par les réseaux, et permet par exemple d'identifier automatiquement des aires d'autoroute et des lotissements (G. TOUYA, 2008) : ce type de méthodes peut être implémenté au sein d'un SIG et offre des applications immédiates en généralisation cartographique.

6Dans une démarche analogue, l'analyse morphologique des réseaux hydrographiques est susceptible d'apporter des connaissances, car la forme et la disposition relative des tronçons hydrographiques définit des types de réseaux déjà bien identifiés et étudiés par les géomorphologues. Dans ce contexte, et en adoptant une approche exclusivement géomaticienne, cet article a pour objectif de montrer que la morphologie des réseaux hydrographiques peut en effet être appréhendée et évaluée par des méthodes d'analyse spatiale, dans le but d'identifier automatiquement les différents types de réseaux sans autre information que celles fournies par les bases de données géographiques.

7La première partie de cet article pose le contexte de l'étude, en précisant, d'une part, la manière dont les réseaux hydrographiques sont traditionnellement représentés dans les bases de données géographiques et, d'autre part, les différents types de réseaux identifiés dans le domaine de la géomorphométrie.

8La deuxième partie de l'article recense et organise les indicateurs existants pour analyser les réseaux hydrographiques. Sur la base de cet état de l'art, une méthode de caractérisation est élaborée à partir de l'observation des angles de confluence, dans le but d'identifier les réseaux hydrographiques de type parallèle.

9La dernière partie de l'article propose enfin de mettre en œuvre cette méthode sur un échantillon de zones d'étude extraites du territoire français : les résultats obtenus montrent que l'analyse spatiale des réseaux hydrographiques permet de discriminer certaines formes de réseaux hydrographiques. Ces résultats offrent ainsi des perspectives dans la construction d'indicateurs pour la caractérisation automatique des formes de réseaux et ouvrent plus généralement la voie à l'élaboration de méthodes automatisées pour l'analyse de phénomènes corrélés à la forme des réseaux hydrographiques – notamment l'analyse du relief et de sa qualité.

II - Contexte scientifique – réseaux hydrographiques : représentation, types morphométriques et méthodes de caractérisation

10Les réseaux hydrographiques sont généralement représentés sous la forme de graphes orientés dont les arcs représentent des cours d'eau et les nœuds des confluences ou diffluences. Cette modélisation permet d'analyser leur implantation spatiale, leur géométrie, ainsi que les propriétés induites par leur structure topologique. La base de données géographiques BD Carthage®, couvrant l'ensemble du territoire métropolitain français, constitue le référentiel hydrographique le plus utilisé en France. Cette base de données, à l'échelle du 1/50000, est réalisée à partir de la couche hydrographique de la BD Carto® de l'IGN, issue d'un processus d'acquisition reposant sur la stéréorestitution de photos aériennes. BD Carthage® est enrichie à la fois par le MEEDDAT (Ministère de l'Écologie, de l'Énergie, du Développement Durable et de l'Aménagement du Territoire) et les agences de l'eau. Elle regroupe la représentation des cours d'eau et des nœuds hydrographiques, mais aussi des plans d'eau et des bassins versants (Fig. 1).

Figure 1 - Représentation d'un réseau hydrographique par un graphe.

Figure 1 - Représentation d'un réseau hydrographique par un graphe.

Les objets des classes "polygones", "nœuds" et "tronçons" sont respectivement associés aux bassins versants, aux confluences ou diffluences, et aux tronçons hydrographiques.

11Jusqu'à présent, l'analyse des réseaux hydrographiques a été peu automatisée, notamment en raison des limitations des moyens informatiques dans les années 80. Il existe néanmoins de nombreux travaux théoriques sur l'analyse morphologique des réseaux hydrographiques : en particulier, A.D. HOWARD (1967) et C. CAZABAT (1969) ont établi une classification de l'ensemble des réseaux hydrographiques selon leur type morphologique. À partir de cette classification, ils mettent en relation l'ensemble de ces morphotypes avec le milieu dans lequel ils s'inscrivent. Ces travaux rejoignent les préoccupations de cet article, dans la mesure où il s'agit d'expliciter le contexte géomorphologique des réseaux hydrographiques à partir de leur description dans les bases de données géographiques. Dans ce contexte, les lignes qui suivent présentent les différents types de réseaux hydrographiques et les indicateurs fournis par la littérature pour faciliter leur identification.

12Dans sa typologie établie en 1967, A.D. HOWARD propose de classifier les réseaux hydrographiques selon plusieurs "types de base" (Fig. 2), eux-mêmes décomposés en plusieurs "types modifiés" (Fig. 3). Dans la perspective d'automatiser la reconnaissance des types identifiés par A.D. HOWARD, il convient de déterminer des critères spatiaux, morphométriques et topologiques, dont l'analyse combinée permet d'isoler des sous-réseaux aux caractéristiques homogènes et de les associer in fine à ces différents types.

Figure 2 - Classification descriptive –types de base de réseaux hydrographiques (in B. DEFFONTAINES, 1990 ; d'après A.D. HOWARD, 1967).

Figure 2 - Classification descriptive –types de base de réseaux hydrographiques (in B. DEFFONTAINES, 1990 ; d'après A.D. HOWARD, 1967).

Figure 3 - Classification descriptive – types modifiés de réseaux hydrographiques (in B. DEFFONTAINES, 1990 ; d'après A.D. HOWARD, 1967).

Figure 3 - Classification descriptive – types modifiés de réseaux hydrographiques (in B. DEFFONTAINES, 1990 ; d'après A.D. HOWARD, 1967).

13La littérature en géomorphologie et géomorphométrie offre de nombreux indicateurs pour analyser les réseaux hydrographiques et les bassins versants dans lesquels ils s'inscrivent. S. RIAZANOFF (1989) propose d'appréhender la géomorphologie d'un terrain en observant une batterie d'indicateurs mesurés localement sur les tronçons hydrographiques, à savoir : la direction, la symétrie, la courbure, l'angle de confluence, la longueur, la densité et la fréquence, et le parallélisme. S. RIAZANOFF montre à ce titre que la majorité de ces indicateurs sont très corrélés à la topographie. Au delà de cette tendance générale, les indicateurs de densité et d'angle de confluence permettent d'obtenir des informations sur la lithologie sous-jacente, tandis que l'indicateur de courbure donne des indications sur l'existence éventuelle d'anomalies telles que des failles. D'autres auteurs proposent des indicateurs fondés sur une analyse globale des caractéristiques géométriques des réseaux hydrographiques : citons entre autres les ratios de bifurcation, les rapports des longueurs et les rapports des aires drainées proposés par E. CLÉMENT (1990), l'assimilation des bassins versants à des rectangles ou à des ellipses équivalents par R. MOUSSA (1991), ou encore les valeurs de surfaces, volumes, périmètres, longueurs et largeurs maximales, centre de gravité et orientation moyenne introduites par L. FLOISSAC (1997). À la suite de ces travaux, S. LE PAPE (1998) propose une typologie de ces indicateurs, distinguant explicitement les indicateurs décrivant les réseaux à une échelle locale – il s'agit d'indicateurs "morphométriques" associés aux éléments constitutifs des réseaux, à savoir les tronçons (biefs), nœuds (points de confluence) et polygones (bassins versants) – et les indicateurs statistiques décrivant les réseaux à une échelle globale (c'est-à-dire sur de grandes populations de tronçons, nœuds et polygones).

14En adoptant une approche fondée non plus sur le distinguo local/global mais sur les dimensions de l'espace, C. GAUCHEREL (2003) propose de différencier les indicateurs longitudinaux, surfaciques, latéraux et volumiques/verticaux descriptifs des bassins versants. En s'appuyant sur le cas pratique de la Guyane, C. GAUCHEREL identifie les bassins versants présentant des comportements spatiaux identiques et extrait indirectement des informations morphologiques sur les réseaux hydrographiques sous-jacents.

15Parmi les différentes familles d'indicateurs présentées, nous avons choisi d'amorcer notre étude en nous intéressant aux indicateurs construits sur les angles de confluence. Ce choix s'inscrit dans la lignée des travaux de B. DEFFONTAINES (1990) sur l'analyse angulaire des nœuds hydrographiques. En étudiant conjointement les valeurs angulaires observées aux nœuds de confluence et les types de réseaux hydrographiques, B. DEFFONTAINES montre qu'il est possible d'établir des correspondances entre les angles observés et certains types de réseaux. En pratique, B. DEFFONTAINES propose de considérer les trois angles répartis autour de chaque nœud de confluence de degré 3, et de distinguer parmi eux le plus petit angle (α) et l'angle intermédiaire (β) (nota : l'angle formé par deux vecteurs peut être caractérisé conjointement par son cosinus et son sinus, donnés respectivement par le produit scalaire et le produit vectoriel des deux vecteurs normalisés). Sur cette base, l'observation croisée des angles α et β permet d'établir une classification de sous-réseaux hydrographiques présentant les mêmes caractéristiques angulaires (on parle de "cartographie angulaire") : par exemple, les valeurs d'angles attendues pour les réseaux de types parallèle, subparallèle et colinéaire sont de 0° (± 20°) pour l'angle minimum (β) et de 180° (± 20°) pour l'angle intermédiaire (α) (B. DEFFONTAINES, 1990). Conjointement à cette classification, l'étude des valeurs extrêmes des distributions des angles α et β permet d'identifier les anomalies des réseaux identifiés.

16En exploitant les possibilités offertes par les systèmes d'information géographique, nous allons utiliser et développer cette méthode pour caractériser automatiquement les réseaux hydrographiques de type parallèle.

III - Méthodologie pour la caractérisation automatique des réseaux de type parallèle

17Les indicateurs développés dans cet article sont mis en œuvre sur les réseaux hydrographiques de la France (métropolitaine + DOM-TOM), décrits dans la base de données BD Carthage® de l'IGN. Les indicateurs α et β relatifs aux angles de confluence (cf. supra), sont implémentés sur la plate-forme open source GéOxygène du laboratoire COGIT de l'IGN. Cette plate-forme vise à fournir un cadre ouvert de développement pour la conception et le déploiement d'applications s'appuyant sur des données géographiques vectorielles (SIG). L'utilisation d'un modèle de données objet compatibles avec les standards ISO et les spécifications OGC (Open Geospatial Consortium) garantit l'interopérabilité des applications basées sur la plate-forme. Afin d'enrichir la base de données BD Carthage® avec les indicateurs choisis, le modèle de données des nœuds hydrographiques est étendu en lui associant deux attributs supplémentaires relatifs aux angles minimums (β) et intermédiaires (α).

18Cela étant, la base de données est enrichie en calculant les valeurs angulaires pour l'ensemble des nœuds hydrographiques connectés à plus de deux tronçons. Les tronçons et les nœuds du réseau sont ensuite regroupés par composantes connexes en utilisant leurs relations de connexité (la topologie du réseau hydrographique est en effet implicite). Par construction, les composantes connexes ainsi créées correspondent aux différents bassins versants hydrographiques.

19Afin d'identifier des sous-réseaux homogènes en termes d'angles β et α, les différentes composantes connexes du réseau sont considérées une à une : au sein de chacune d'elles, les nœuds pour lesquels les angles β et α atteignent leur minimum βmin et αmin sont identifiés, et les composantes connexes sont alors découpées au niveau de ces nœuds si les valeurs βmin et αmin associées sont suffisamment excentrées au sein des distributions statistiques associées. En pratique, pour chaque composante connexe (C), le nœud (N) réalisant le minimum βmin des angles β observés sur (C) est identifié : ce nœud permet ainsi de définir la valeur Emin, correspondant à l'écart absolu entre βmin et la moyenne des angles β observés sur (C). Si la valeur Emin est supérieure à un seuil de tolérance préalablement défini, alors la composante connexe (C) est découpée au niveau de (N), en supprimant les liens topologiques de (N) avec les tronçons qui lui sont connectés. Une démarche analogue est menée avec la distribution des angles α.

20De cette manière, les composantes connexes du réseau sont découpées automatiquement en sous-composantes connexes présentant des valeurs homogènes d'angles β et α (au seuil de tolérance près). Le découpage en sous-composantes connexes ainsi obtenu et les fourchettes angulaires associées vont alors permettre d'identifier certains types de réseaux hydrographiques sur les zones d'étude, conformément aux seuils suggérés par B. DEFFONTAINES (1990).

21En pratique, nous avons travaillé sur la reconnaissance et la qualification automatique des réseaux de type parallèle. Ce type de réseau a été retenu pour effectuer les premières implémentations, car d'une part la méthode de mise en œuvre des indicateurs associés est simple et parlante, et d'autre part la facilité d'identification des réseaux de type parallèle promet d'apprécier rapidement la portée de la méthode. Dans un premier temps, les angles minimums β et les angles intermédiaires α ont été calculés en considérant la géométrie des tronçons à leur confluence, telle qu'elle est décrite dans la base de données. Les résultats obtenus ne sont pas concordants avec les correspondances établies par B. DEFFONTAINES (1990).

22La figure 4 présente un extrait de réseau hydrographique de type parallèle. En théorie, les valeurs des angles β et α relevées sur cet extrait doivent être proches respectivement de 0° et 180° au seuil de tolérance près. En pratique, et bien que les orientations générales des tronçons de cette confluence soient visuellement conformes aux fourchettes préconisées, la géométrie locale de ces tronçons au niveau de la confluence contredit ces tendances, et ne permet pas l'identification de cet extrait comme étant de type parallèle.

Figure 4 - Extrait d'un réseau de type parallèle.

Figure 4 - Extrait d'un réseau de type parallèle.

23Pour cette raison, nous proposons de considérer non plus les angles α et β observés aux confluences, mais les angles α et β que décrivent les orientations générales des tronçons associés. À cet effet, nous proposons de simplifier la géométrie des tronçons du réseau au niveau des confluences selon un critère d'angle. En pratique, pour un tronçon donné, les sommets intermédiaires de ce tronçon sont supprimés un à un depuis le nœud de confluence, tant que le tronçon simplifié ne s'écarte pas trop du tronçon originel en regard d'un seuil angulaire préalablement fixé. En ce sens, ce filtrage est analogue à l'algorithme de simplification des objets linéaires de D.H. DOUGLAS et T.K. PEUCKER (1973), à la différence près que le seuil est un angle et non une distance. Conformément à ce schéma, la figure 5 présente l'extrait de réseau simplifié associé à l'exemple d'étude de la figure 4 pour un seuil angulaire de 30°. Malgré cette simplification, les valeurs des angles α et β ne reflètent toujours pas la géométrie attendue (et observée) pour un réseau de type parallèle : manifestement, la simplification opérée sur la géométrie locale du réseau ne permet pas de restituer les tendances angulaires qui conduisent à définir ce réseau comme étant de type parallèle.

Figure 5 - Simplification de l'extrait de réseau présenté sur la figure 4 en adoptant un seuil angulaire de 30°.

Figure 5 - Simplification de l'extrait de réseau présenté sur la figure 4 en adoptant un seuil angulaire de 30°.

24De fait, ce ne sont pas tant les angles observés localement au niveau des confluences qui permettent d'associer un réseau à un morphotype donné, mais les angles définis par les directions générales que prennent les tronçons autour de ces confluences. Afin d'évaluer ces angles, nous proposons de définir les directions générales des tronçons par la direction moyenne des arêtes qui les constituent (avec pondération par les longueurs de ces arêtes). De cette manière, les directions associées aux tronçons ne tiennent plus exclusivement compte des orientations locales, mais également des orientations empruntées tout au long linéaires. Ainsi, pour l'exemple traité, le réseau hydrographique est-il pris en compte à travers trois directions générales qui font entre elles des angles α et β conformes aux angles attendus pour un réseau de type parallèle (Fig. 6).

Figure 6 - Simplification selon la méthode des directions générales de l'extrait de réseau présenté sur la figure 4.

Figure 6 - Simplification selon la méthode des directions générales de l'extrait de réseau présenté sur la figure 4.

25Par construction, cette méthode fonctionne bien sur des tronçons relativement droits. A contrario, la simplification de tronçons sinueux est susceptible de conduire à des résultats moins robustes (Fig. 7). Néanmoins cette limitation ne pose pas réellement de problème, dans la mesure où les indicateurs construits sur les angles de confluence ne sont pas forcément discriminants pour isoler des réseaux sinueux (de fait, ces réseaux relèvent d'autres morphotypes pour lesquels il s'agira de mettre en œuvre d'autres indicateurs plus pertinents).

Figure 7 - Essai de simplification de tronçons sinueux par la méthode des directions générales.

Figure 7 - Essai de simplification de tronçons sinueux par la méthode des directions générales.

26En appliquant la méthode de calcul fondée sur les directions générales des tronçons, les résultats finalement obtenus sont satisfaisants pour identifier les réseaux de types parallèle, subparallèle et colinéaire, non seulement sur la zone d'étude, mais également sur d'autres secteurs sélectionnés dans la BD Carthage®. Bien que restreint géographiquement, car exclusivement centré sur l'hydrographie française, ce choix n'est pas limitatif. En effet, les réseaux hydrographiques présents sur le territoire français sont relativement variés et représentatifs des différents morphotypes que l'on est amené à rencontrer dans ce type de travail. Dans le cadre de cet article, nous avons choisi de présenter l'application de notre méthode à la région d'Haguenau, au nord-est de Strasbourg : sur cette zone, les réseaux de types parallèle et subparallèle, d'une part, et les réseaux de type dendritique situés en amont, d'autre part, sont distingués de façon automatique (Fig. 8). Cette différence morphologique révèle le caractère tectoniquement actif du secteur d'étude, où des failles viennent accidenter le terrain et modifier la morphologie des cours d'eau. De manière générale, les réseaux de type parallèle se situent à proximité de faisceaux de faille : dans cet exemple d'étude, les réseaux de ce type se sont formés dans le "ried" d'Haguenau, qui constitue une zone forestière et marécageuse – probablement une zone de subsidence (B. DEFFONTAINES, 1990). À l'inverse, le type dendritique, marqué par sa morphologie arborescente, correspond généralement à un réseau ne subissant pas de véritable contrôle structural, et est souvent associé à un milieu d'érosion uniforme normal. Les réseaux parallèle et dendritique de cette zone d'étude sont ici séparés par un système de failles d'orientation nord-ouest entraînant une modification de la pente générale, et donc du tracé des cours d'eau : en pratique, les Vosges gréseuses sont séparées de la plaine alluviale du Rhin par le système de failles rhénanes ainsi que par le système de failles vosgiennes, formant au centre le fossé de Lembach. Cette différence est très bien marquée à travers l'analyse de la morphologie des réseaux hydrographiques. Leur détection automatique, selon la méthode développée plus haut, permet indirectement de mettre en évidence deux structures distinctes et de deviner certains systèmes de failles à la frontière entre ces deux types de réseaux. Sur la figure 8, de part et d'autre des failles, indiquées par des pointillés, les zones 1 et 2 correspondent respectivement à un réseau dendritique (Vosges gréseuses) et à un réseau parallèle (plaine alluviale du Rhin).

Figure 8 - Réseaux hydrographiques de types parallèle (en noir) et dendritique (en gris), dans la région d'Haguenau (Alsace).

Figure 8 - Réseaux hydrographiques de types parallèle (en noir) et dendritique (en gris), dans la région d'Haguenau (Alsace).

Les pointillés indiquent l'emplacement probable de failles.

27Afin de compléter cette première analyse, nous avons croisé les résultats obtenus avec une segmentation fournie par un critère de drainage. L'indicateur associé sur la densité des réseaux hydrographiques n'est pas un critère morphologique à proprement parler, car il n'apporte pas d'information sur la forme même des réseaux, mais uniquement sur leur densité spatiale. Il est néanmoins simple à mettre en œuvre, et permet d'effectuer des recoupements pertinents avec la classification automatique proposée. En pratique, la densité de drainage (D) sur une surface (S) donnée est fournie par le rapport entre la somme des longueurs (L) de tous les cours d'eau contenus dans (S) et l'aire de (S) :

D = L / S.

28Les surfaces retenues dans l'analyse correspondent aux sous-bassins versants issus du découpage en zones hydrographiques de la BD Carthage®.

29Cette analyse complémentaire confirme les résultats précédemment obtenus (Fig. 9), dans la mesure où une forte variation de densité est mise en évidence entre les deux types de réseaux précédemment identifiés : la carte révèle en effet un gradient de densité croissant de l'ouest vers l'est, révélateur du changement morphologique de réseau, depuis un type dendritique vers un type parallèle/subparallèle.

Figure 9 - Cartographie des densités des réseaux hydrographiques.

Figure 9 - Cartographie des densités des réseaux hydrographiques.

Le niveau de gris est d'autant plus soutenu que la densité de drainage est élevée.

IV - Conclusion et perspective

30Les résultats présentés dans cet article constituent le point de départ de notre travail sur l'enrichissement des données géographiques grâce à l'analyse automatique des réseaux hydrographiques. En calculant les angles délimités par les directions générales des tronçons autour des points de confluence, nous avons en effet établi une méthode d'identification automatique des réseaux de type parallèle. Dans la lignée de ces recherches, nous souhaitons à présent généraliser cette approche en implémentant des indicateurs caractéristiques des différents types de réseaux définis par A.D. HOWARD (1967). Une telle démarche nécessite de valider l'efficacité des indicateurs pour identifier les types de réseaux auxquels ils sont associés : cette efficacité se mesure non seulement en regard de l'erreur de type a (au sens statistique du terme : en l'occurrence, le taux de réseaux identifiés à tort comme étant d'un type donné doit être le plus faible possible), mais également en regard de l'erreur de type b (le taux de réseaux mal détectés au sein d'un type donné doit aussi être le plus faible possible). Ce travail de validation doit donc s'appuyer sur l'analyse d'une matrice de confusion, établie sur une famille d'échantillons dans laquelle chaque type de réseau est représenté un grand nombre de fois. À l'issue de ce travail, les indicateurs ainsi élaborés pourraient déboucher sur une méthode d'apprentissage supervisé, permettant l'identification semi-automatique des différents types de réseaux, sur une zone donnée. Par ailleurs, de la même manière la notion de densité permet d'affiner les résultats fournis par la détection des réseaux de type parallèle, ce travail pourrait être enrichi par l'intégration de nouveaux indicateurs pour préciser et systématiser l'identification automatique des réseaux hydrographiques de quelque type que ce soit (en exploitant, entre autres, les indicateurs de fréquence, le parallélisme, l'orthogonalité, la symétrie/dissymétrie, l'orientation et la direction).

31D'un point de vue géomatique, cette démarche est porteuse à double-titre, car elle permet :

  • D'une part, d'établir une passerelle entre les techniciens de l'information géographique et les thématiciens de l'hydrographie. Les résultats de cette recherche pourraient, à ce titre, conduire à l'implémentation d'outils spécifiques pour l'analyse des réseaux hydrographiques au sein des SIG.

  • Et, d'autre part, d'élargir le champ des problématiques d'analyse spatiale posées aux géomaticiens. Les recherches en géomatique se nourrissent, en effet, des besoins formulés par les thématiciens pour traiter l'information géographique, et le travail présenté ici est susceptible d'ouvrir des perspectives de recherche sur l'analyse morphologique des réseaux et d'alimenter les travaux effectués actuellement dans d'autres branches de la géomatique (en particulier sur l'analyse de la forme réseaux routiers).

32Enfin, au delà des apports attendus dans le domaine de la géomatique, l'analyse automatique des réseaux hydrographiques ouvre des perspectives de recherche dans un champ plus large de la géographie et de la géomorphologie, autour de l'étude du relief et de sa modélisation par les Modèles Numériques de Terrain (MNT). Il apparaît en effet que le contexte géomorphologique d'une zone donnée (et donc les éléments structurants d'un relief) est corrélé à la morphologie des réseaux hydrographiques (B. DEFFONTAINES, 1990 ; S. RIAZANOFF, 1989) : la connaissance du tracé des réseaux hydrographiques est donc susceptible d'apporter des informations sur la géomorphologie des zones associées. En particulier, la compréhension de la structure du relief et la mise en évidence d'anomalies de drainage sur ce relief pourrait permettre de repérer les secteurs tectoniquement actifs et de pallier certains problèmes de qualité identifiés sur les MNT et localisés sur des formes singulières du relief (la qualité altimétrique d'un MNT varie en effet en fonction de la nature des formes de la surface topographique qu'il représente : l'échantillonnage des données conduit, entre autre, à lisser les crêtes ou les talwegs). Dans ce contexte, l'apport d'une information sémantique sur le type de relief peut aider à mieux prédire la répartition des erreurs à l'intérieur d'un MNT. À cet effet, F. ROUSSEAUX (2008) propose de construire une carte des erreurs locales d'un MNT en s'appuyant sur la spécificité de la distribution spatiale des erreurs, liée à la représentation de certaines formes. Le travail présenté dans cet article viendrait alors en complément de cette démarche en offrant une caractérisation du relief à partir des formes identifiées sur les réseaux hydrographiques. En ajoutant des connaissances géomorphologiques à la représentation numérique des reliefs par les MNT, ces travaux contribueraient ainsi à améliorer l'estimation de la forme probable des structures systématiquement mal représentées dans les MNT (sommets, talwegs, etc.) et à renforcer in fine la qualité des études de risque associées.

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Bibliographie

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CLÉMENT E. (1990) - Modélisation de l'influence du relief et de l'occupation des sols sur la composition des eaux et des sédiments de rivières ; application à la prospection géochimique. Thèse de l'Université de Nice - Sophia-Antipolis, 180 p.

DEFFONTAINES B. (1990) - Développement d'une méthodologie morphoneotectonique et morpho-structurale, analyse des surfaces enveloppes du réseau hydrographique et des MNT. Thèse de l'Université Paris 6, 229 p.

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Table des illustrations

Titre Figure 1 - Représentation d'un réseau hydrographique par un graphe.
Légende Les objets des classes "polygones", "nœuds" et "tronçons" sont respectivement associés aux bassins versants, aux confluences ou diffluences, et aux tronçons hydrographiques.
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/1031/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 76k
Titre Figure 2 - Classification descriptive –types de base de réseaux hydrographiques (in B. DEFFONTAINES, 1990 ; d'après A.D. HOWARD, 1967).
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/1031/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 116k
Titre Figure 3 - Classification descriptive – types modifiés de réseaux hydrographiques (in B. DEFFONTAINES, 1990 ; d'après A.D. HOWARD, 1967).
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/1031/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 136k
Titre Figure 4 - Extrait d'un réseau de type parallèle.
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/1031/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 20k
Titre Figure 5 - Simplification de l'extrait de réseau présenté sur la figure 4 en adoptant un seuil angulaire de 30°.
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/1031/img-5.jpg
Fichier image/jpeg, 24k
Titre Figure 6 - Simplification selon la méthode des directions générales de l'extrait de réseau présenté sur la figure 4.
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/1031/img-6.jpg
Fichier image/jpeg, 28k
Titre Figure 7 - Essai de simplification de tronçons sinueux par la méthode des directions générales.
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/1031/img-7.jpg
Fichier image/jpeg, 28k
Titre Figure 8 - Réseaux hydrographiques de types parallèle (en noir) et dendritique (en gris), dans la région d'Haguenau (Alsace).
Légende Les pointillés indiquent l'emplacement probable de failles.
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/1031/img-8.jpg
Fichier image/jpeg, 124k
Titre Figure 9 - Cartographie des densités des réseaux hydrographiques.
Légende Le niveau de gris est d'autant plus soutenu que la densité de drainage est élevée.
URL http://physio-geo.revues.org/docannexe/image/1031/img-9.jpg
Fichier image/jpeg, 135k
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Pour citer cet article

Référence papier

Adrien Paget, Julien Perret et Jean-François Gleyze, « La géomatique au service de la caractérisation automatique des réseaux hydrographiques », Physio-Géo, Volume 2 | -1, 147-160.

Référence électronique

Adrien Paget, Julien Perret et Jean-François Gleyze, « La géomatique au service de la caractérisation automatique des réseaux hydrographiques », Physio-Géo [En ligne], Volume 2 | 2008, mis en ligne le 20 décembre 2008, consulté le 28 mai 2017. URL : http://physio-geo.revues.org/1031 ; DOI : 10.4000/physio-geo.1031

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Auteurs

Adrien Paget

Institut Géographique National, Service de la Recherche, Laboratoire COGIT, 2-4 Avenue Pasteur, 94165 SAINT-MANDÉ cedex.
Courriel : adrien.paget@ign.fr

Julien Perret

Institut Géographique National, Service de la Recherche, Laboratoire COGIT, 2-4 Avenue Pasteur, 94165 SAINT-MANDÉ cedex.
Courriel : julien.perret@ign.fr

Jean-François Gleyze

Institut Géographique National, Service de la Recherche, Laboratoire COGIT, 2-4 Avenue Pasteur, 94165 SAINT-MANDÉ cedex.
Courriel : jean-francois.gleyze@ign.fr

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Droits d’auteur

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