La géodésie appliquée aux grands travaux d'infrastructures linéaires

108 Pages·2013·5.67 MB·French

Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg

Mémoire de soutenance de Diplôme d’Ingénieur INSA
Spécialité TOPOGRAPHIE
La géodésie appliquée aux grands projets d’infrastructures
linéaires à l’étranger

Présenté le 19 Septembre 2013,
Présenté par Alia GRIFFON—MONNET.

Réalisé au sein de l’entreprise Etablissement de formation

FUGRO GEOID SAS

12 rue des frères Lumière

34830 JACOU

Directeurs de stage Correcteurs

M. Claude Michel – Directeur M. Gilbert Ferhat
M. Sylvain Lacombe – Directeur Développement M. Jacques Ledig
M. Jean-Louis Carme – Directeur Technique
La géodésie appliquée aux grands projets d’infrastructures linéaires à l’étranger Fugro GEOID
R
EMERCIEMENTS

Dans un premier temps, je souhaite remercier M. Claude MICHEL, directeur de la société
Fugro GEOID SAS, pour m’avoir accompagnée et soutenue pendant six mois. Je le remercie
également pour son accueil, ses conseils et mon intégration au sein de l’entreprise qui m’ont permis
de mener à bien mon projet de fin d’études.

Je voudrais, de plus, remercier M. Sylvain LACOMBE et M. Jean-Louis CARME, qui m’ont
suivie et qui ont fait preuve de disponibilité pendant toute la durée de mon étude. Ils m’ont apporté
leur soutien, leurs conseils, ainsi que leurs connaissances et leurs expériences techniques. Cela m’a
permis d’assimiler les connaissances et le savoir-faire indispensables au bon déroulement de mon
étude.

Je tiens à remercier l’ensemble de mes collaborateurs de Fugro GEOID SAS pour leur
soutien, leurs conseils, leur bonne humeur et leur aide tant sur le plan technique que pour mon
intégration au sein de l’entreprise.

Je souhaite par ailleurs remercier l’ensemble du corps enseignant de la section topographie
de l’INSA de Strasbourg dont l’enseignement a facilité la compréhension des techniques et des
méthodes utilisées pour entreprendre cette étude.

Enfin je remercie ma famille et mes amis qui m’ont toujours accompagnée et soutenue tout au
long de ma scolarité et de ma formation même dans les moments difficiles.

Je souhaite également remercier les personnes que j’aurais omis de citer et qui m’ont permis
de faire progresser mon travail de quelconque manière.

Projet de Fin d’Etudes, Topographie page 1 Septembre 2013
Alia Griffon--Monnet
La géodésie appliquée aux grands projets d’infrastructures linéaires à l’étranger Fugro GEOID
C
ONVENTIONS TYPOGRAPHIQUES

Les termes en italiques sont repris dans le Glossaire situé en fin de rapport ;

Les Annexes sont répertoriées sous forme de note de bas de page ; Elles sont numérotées
chronologiquement et regroupées en fin de rapport ;

Les références bibliographiques sont inscrites entre [...] et détaillées dans la Bibliographie
située en fin de rapport ;

Les figures, les tableaux et les équations sont numérotés chronologiquement tout le long du
rapport ;

Les notions de géodésie et géophysique nécessaires à une bonne compréhension se trouvent
au chapitre 2.

Projet de Fin d’Etudes, Topographie page 2 Septembre 2013
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La géodésie appliquée aux grands projets d’infrastructures linéaires à l’étranger Fugro GEOID

S
OMMAIRE
REMERCIEMENTS ............................................................................................................................................. 1
CONVENTIONS TYPOGRAPHIQUES ................................................................................................................... 2
SOMMAIRE ...................................................................................................................................................... 3
1 INTRODUCTION .......................................................................................................................................... 6
1.1 PRESENTATION DE L’ENTREPRISE .................................................................................................................... 6
1.1.1 Le groupe Fugro ................................................................................................................................... 6
1.1.2 FUGRO GEOID SAS ............................................................................................................................... 7
1.1.3 Intégration au sein de l’entreprise....................................................................................................... 7
1.2 CONTEXTE DE L’ETUDE ................................................................................................................................. 8
2 NOTIONS DE GEODESIE ............................................................................................................................. 10
2.1 GEODESIE ............................................................................................................................................... 10
2.2 SYSTEMES GEODESIQUES ............................................................................................................................ 10
2.2.1 WGS84 ............................................................................................................................................... 10
2.2.2 ITRS .................................................................................................................................................... 10
2.3 SYSTEMES ALTIMETRIQUES ......................................................................................................................... 11
2.3.1 Géoïde ............................................................................................................................................... 11
2.3.2 Ellipsoïde ............................................................................................................................................ 11
2.3.3 Quasi-géoïde...................................................................................................................................... 12
2.3.4 La pesanteur ...................................................................................................................................... 12
2.3.5 Cote géopotentielle ........................................................................................................................... 12
2.3.6 Déviation de la verticale .................................................................................................................... 12
2.3.7 Altitude dynamique ........................................................................................................................... 12
2.3.8 Altitude orthométrique ...................................................................................................................... 12
2.3.9 Altitude normale ................................................................................................................................ 12
2.3.10 Hauteur ellipsoïdale ........................................................................................................................... 13
2.3.11 Ondulation du géoïde ........................................................................................................................ 13
3 LES DIFFERENTES SOLUTIONS GEODESIQUES APPORTEES AUX DEMANDES CLIENT .................................. 14
3.1 LES DIFFERENTES DEMANDES CLIENT ............................................................................................................. 14
3.2 LES SOLUTIONS HISTORIQUES ...................................................................................................................... 15
3.2.1 Planimétrique .................................................................................................................................... 15
3.2.2 Altimétrique ....................................................................................................................................... 16
3.3 LES SOLUTIONS PLANIMETRIQUES ACTUELLES PAR GPS EN FONCTION DES DEMANDES. ............................................. 16
3.3.1 Absence de système géodésique imposé par le client ....................................................................... 16
3.3.1.1 Disposition des points géodésiques ............................................................................................................. 16
3.3.1.2 Stratégie d’observation ................................................................................................................................ 17
3.3.1.3 Calcul ............................................................................................................................................................ 17
3.3.2 Système géodésique imposé avec réseau local existant .................................................................... 19
3.3.2.1 Présence de points locaux existants dans un référentiel géodésique local ................................................. 19
3.3.2.2 Système WGS84 défini par le client ............................................................................................................. 20
3.4 LES SOLUTIONS ALTIMETRIQUES ACTUELLES .................................................................................................... 21
3.4.1 Problématique de l’altimétrie en GPS ................................................................................................ 21
3.4.2 Constantes entre hauteur ellipsoïdale et altitude orthométrique : proscrit sur des infrastructures
linéaires ........................................................................................................................................................... 21
3.4.3 Utilisation de modèles de géoïde existants ....................................................................................... 22
3.4.4 Ajustement d’un modèle de géoïde global ........................................................................................ 22
3.4.5 Création d’un modèle de géoïde ........................................................................................................ 23
3.5 COMBINAISON DES SOLUTIONS .................................................................................................................... 24
4 LA GRAVIMETRIE ...................................................................................................................................... 26
4.1 LA GRAVIMETRIE ...................................................................................................................................... 26
Projet de Fin d’Etudes, Topographie page 3 Septembre 2013
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La géodésie appliquée aux grands projets d’infrastructures linéaires à l’étranger Fugro GEOID
4.1.1 Définition ........................................................................................................................................... 26
4.1.2 Apport ................................................................................................................................................ 26
4.2 PRINCIPE D’ACQUISITION DE DONNEES GRAVIMETRIQUES TERRESTRES .................................................................. 26
4.2.1 Gravimètre absolu ............................................................................................................................. 27
4.2.2 Gravimètre relatif .............................................................................................................................. 27
4.2.3 Méthode d’un levé gravimétrique ..................................................................................................... 28
4.3 MODELE DE GEOÏDE GRAVIMETRIQUE ............................................................................................................ 29
4.3.1 Présentation des différentes approches ............................................................................................ 29
4.3.1.1 Stokes ........................................................................................................................................................... 29
4.3.1.2 Molodensky .................................................................................................................................................. 30
4.3.1.3 Retrait/Restauration .................................................................................................................................... 30
4.3.2 Solution logiciel : Gravsoft ................................................................................................................. 31
4.4 INTEGRATION DES DONNEES GRAVIMETRIQUES POUR LE CALCUL DE L’ALTITUDE ORTHOMETRIQUE ............................... 31
4.5 PRINCIPAUX OBJECTIFS DE L’INTEGRATION DE LA GRAVIMETRIE DANS LES DONNEES TOPOGRAPHIQUES ......................... 31
5 APPLICATION A UN CHANTIER D’INFRASTRUCTURES LINEAIRES ............................................................... 34
5.1 PRESENTATION DU PROJET SIMANDOU .......................................................................................................... 34
5.2 SOLUTION GEODESIQUE RETENUE ................................................................................................................. 36
5.2.1 Planimétrie : GPS ............................................................................................................................... 36
5.2.1.1 Matériels utilisés .......................................................................................................................................... 36
5.2.1.2 Précision attendue ....................................................................................................................................... 36
5.2.2 Altimétrie : Nivellement direct et gravimétrie ................................................................................... 36
5.2.2.1 Matériels utilisés pour le nivellement direct ................................................................................................ 37
5.2.2.2 Précision attendue ....................................................................................................................................... 37
5.2.2.3 Matériels utilisés pour la gravimétrie relative .............................................................................................. 37
5.2.2.4 Précision attendue ....................................................................................................................................... 37
5.3 PROBLEMATIQUES RELATIVES AU PROJET SIMANDOU ........................................................................................ 37
5.3.1 Réseaux de points d’appuis existants ................................................................................................ 38
5.3.2 Logistique .......................................................................................................................................... 38
5.3.2.1 Personnel ..................................................................................................................................................... 39
5.3.2.2 Accès ............................................................................................................................................................ 39
5.3.2.3 Déplacements............................................................................................................................................... 39
5.3.2.4 Communication ............................................................................................................................................ 40
5.3.2.5 Ravitaillement .............................................................................................................................................. 40
5.3.3 Base de données ArcGIS .................................................................................................................... 40
5.3.4 Volume des données collectées ......................................................................................................... 41
5.4 MODE OPERATOIRE POUR L’ACQUISITION DES DONNEES .................................................................................... 41
5.4.1 GPS .................................................................................................................................................... 41
5.4.1.1 Calibration .................................................................................................................................................... 42
5.4.1.2 Personnel ..................................................................................................................................................... 42
5.4.1.3 Réseau primaire ........................................................................................................................................... 42
5.4.1.4 Réseau secondaire ....................................................................................................................................... 43
5.4.1.5 Planning ........................................................................................................................................................ 44
5.4.2 Nivellement ....................................................................................................................................... 45
5.4.2.1 Calibration .................................................................................................................................................... 45
5.4.2.2 Personnel ..................................................................................................................................................... 45
5.4.2.3 Méthode d’observation ................................................................................................................................ 45
5.4.2.4 Planning ........................................................................................................................................................ 46
5.4.2.5 Optimisation des observations ..................................................................................................................... 46
5.4.3 Gravimétrie ........................................................................................................................................ 47
5.4.3.1 Calibration .................................................................................................................................................... 47
5.4.3.2 Personnel ..................................................................................................................................................... 47
5.4.3.3 Méthode d’observation ................................................................................................................................ 47
5.5 TRAITEMENT DES DONNEES ......................................................................................................................... 48
5.5.1 Planimétrie : GPS ............................................................................................................................... 48
5.5.1.1 Description du mode opératoire pour le contrôle et le traitement des données GPS primaires ................. 48
5.5.1.2 Mise en place du mode opératoire pour le contrôle et le traitement des données GPS secondaires ......... 49
5.5.2 Altimétrie : Nivellement et Gravimétrie............................................................................................. 53
5.5.2.1 Mise en place du mode opératoire pour le contrôle et le traitement des données de nivellement ........... 53
5.5.2.2 Description du mode opératoire pour le contrôle et le traitement des données gravimétriques ............... 55
Projet de Fin d’Etudes, Topographie page 4 Septembre 2013
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La géodésie appliquée aux grands projets d’infrastructures linéaires à l’étranger Fugro GEOID
5.6 RESULTATS ............................................................................................................................................. 56
5.6.1 GPS .................................................................................................................................................... 56
5.6.2 Nivellement ....................................................................................................................................... 58
5.6.3 Gravimétrie ........................................................................................................................................ 58
5.7 ANALYSE CRITIQUE DE LA METHODOLOGIE UTILISEE .......................................................................................... 59
5.7.1 Solutions plus rapides ........................................................................................................................ 59
5.7.2 Solutions moins coûteuses ................................................................................................................. 60
6 CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES ............................................................................................... 62
TABLE DES ILLUSTRATIONS ............................................................................................................................. 63
GLOSSAIRE ..................................................................................................................................................... 65
BIBLIOGRAPHIE .............................................................................................................................................. 68
ANNEXES ........................................................................................................................................................ 70
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1 I
NTRODUCTION
1.1 Présentation de l’entreprise
1.1.1 Le groupe Fugro

Fondé en 1962, le groupe néerlandais Fugro est progressivement devenu un leader mondial dans le
domaine des géosciences. Aujourd’hui le groupe emploie plus de 11 500 personnes au sein des 250
filiales réparties dans plus de 50 pays à travers le monde. Le groupe s’organise autour de deux
divisions distinctes :
- La division géotechnique qui comporte deux sous-divisions : « Onshore » et « Offshore »
- La division « survey » qui comporte trois sous-divisions : « Subsea » et « Offshore » et
« geospatiale »

Avec plus de 50 ans d’expérience dans le domaine des géosciences en général et avec un chiffre
d’affaire annuel de 2.2 Milliards d’euros en 2012 Fugro est un des leaders mondiaux et une référence
en matière d’étude des sols terrestres, marins ou côtiers.
La société couvre les domaines tels que la géologie, la géophysique, la géotechnique,
l’océanographie ou encore la topographie. Ses principaux clients sont donc :
- Les gouvernements ;
- Le secteur minier ;
- Les compagnies pétrolières et gazières ;
- Les entreprises d’infrastructures ;
- Les collectivités territoriales ;
- Les sociétés du génie civil et côtier.

La division « geospatiale » dont fait partie Fugro GEOID SAS compte environ 1300 personnes et
fournit ses services dans :
- Les levés aériens : LiDAR aéroporté et héliporté, RADAR aéroporté, imagerie satellite,
photogrammétrie,
- Les levés topographiques terrestres : contrôle dimensionnel, auscultation automatisée
(geomonitoring), implantation, levés laser scanner, levés topographiques, géodésie,
métrologie…
- Les systèmes d’information et d’aide à la décision : SIG orienté métier, stockage et gestion
des données…

Le groupe Fugro a l’avantage de pouvoir mettre en commun le matériel et les compétences entre ses
différentes filiales, et ce pour apporter une réponse adaptée à un grand nombre de demandes et ainsi
élargir son marché.

Projet de Fin d’Etudes, Topographie page 6 Septembre 2013
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La géodésie appliquée aux grands projets d’infrastructures linéaires à l’étranger Fugro GEOID
1.1.2 FUGRO GEOID SAS

Fugro GEOID SAS est créée en 1986 par deux ingénieurs topographes : Claude Michel (Ingénieur
ENSAIS) et Pierre Balestrini (Ingénieur ESGT). La société est actuellement implantée à Jacou, au
Nord-Est de Montpellier dans le département de l’Hérault et ce, depuis 1990. A l’origine elle était
implantée en Bretagne et effectuait principalement des levés de type « offshore ».

En 2001, la société a intégré le groupe international néerlandais Fugro pour en devenir une filiale. Elle
a tout d’abord intégré la division de reconnaissance et d’étude de sites marins (survey offshore), puis
la division géospatiale depuis 2004.

Fugro GEOID est spécialisée dans les domaines de la topographie, de la bathymétrie, de la géodésie,
de la cartographie et du positionnement en général. En effet, elle a été une des sociétés pionnière
dans le domaine du GPS en étant l’une des premières entreprises françaises à se doter d’un tel
système. Depuis 1989, la société s’est tournée vers ce nouveau système de mesure qui permet
aujourd’hui un positionnement précis et un gain de temps. GEOID ne cesse de s’ouvrir aux nouvelles
technologies et aux nouvelles techniques de levés, ce qui fait d’elle une entreprise dynamique et
innovante dans les domaines de pointe. Outre le GPS, GEOID est performante également dans les
techniques de pointe que sont le laser scanner 3D (depuis 2001) et la lasergrammétrie aéroportée
grâce à son système FLI-MAP (Fast Laser Imaging and Mapping on Airborn Platform). Cette société
intervient autant en France qu’à l’étranger.

Fugro GEOID SAS compte actuellement 48 collaborateurs :
- 23 ingénieurs topographes dont 4 à la direction ;
- 2 ingénieurs géophysiciens ;
- 1 ingénieur SIG et responsable informatique ;
- 16 techniciens (topographes, électroniciens, cartographes) ;
- 4 personnes en charge de la logistique et de l’administration ;
- 2 stagiaires.

1.1.3 Intégration au sein de l’entreprise

Depuis une vingtaine d’année, Fugro GEOID SAS intègre régulièrement des stagiaires en dernière
année du cycle ingénieur de l’INSA pour leur projet de fin d’études. GEOID met à disposition des
stagiaires, un savoir-faire technique ainsi qu’un suivi pédagogique de qualité tout au long de l’étude.
De plus les stagiaires ont l’occasion de prendre part à diverses missions à responsabilités en lien ou
non avec leur étude, leur permettant de découvrir les techniques utilisées sur le terrain dans des
conditions parfois difficiles.

J’ai eu personnellement la chance de pouvoir participer au chantier de grande envergure qu’est le
projet Simandou en Guinée Conakry. Cette mission est en parfaite adéquation avec le sujet de mon
étude. Deux semaines après mon intégration dans l’entreprise, je suis partie deux mois en Guinée
Conakry pour la phase d’observation du réseau GPS et du nivellement direct le long du projet de voie
de chemin de fer. J’avais sous ma responsabilité dans un premier temps, les équipes d’observation
GPS et dans un deuxième temps 4 équipes de nivellement dans des conditions difficiles tant sur le
plan technique que sur le plan logistique. En effet, les observations GPS devaient être synchronisées
entre les 6 équipes et nous devions effectuer deux sessions par jour afin de respecter les délais. De
plus, les réseaux (téléphoniques, routiers ou encore électriques) étant de très mauvaise qualité voire
parfois inexistants, il fallait faire preuve d’une extrême organisation pour la communication entre les
équipes ainsi que pour leurs déplacements entre les points et les camps de base.
En revanche, je n’ai pas eu l’occasion de participer à d’autres missions en raison d’un emploi du
temps relativement chargé.

Projet de Fin d’Etudes, Topographie page 7 Septembre 2013
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La géodésie appliquée aux grands projets d’infrastructures linéaires à l’étranger Fugro GEOID
1.2 Contexte de l’étude
GEOID est une entreprise spécialisée dans la géodésie, elle répond donc à de nombreux cahiers des
charges concernant des projets linéaires de grandes envergures faisant intervenir des notions de
géodésie. Cette étude est menée car les solutions géodésiques sont complexes et variées. En effet il
existe de nombreuses solutions planimétriques et altimétriques qui varient en fonction des paramètres
technico-économiques tels que la précision, la résolution, la localisation, l’étendue du projet, le
matériel utilisé ou encore le budget défini.

De plus, avec l’avènement du GPS (Global Positionning System), le problème du système de
référence géodésique intervient car, le GPS fournit des hauteurs ellipsoïdales qui doivent être
corrigées des ondulations du géoïde pour donner des altitudes orthométriques. Il est donc
indispensable de corriger localement les ondulations du géoïde, en vue d’obtenir les altitudes
orthométriques demandées par les clients.

Les projets ciblés sont des projets linéaires de grandes étendues, supérieurs à la centaine de
kilomètres et situés à l’étranger. Ces projets sont situés dans des zones où les modèles de géoïde
sont peu fiables voire inexistants. Ces zones sont principalement situées en Afrique mais également
en Asie et au Moyen Orient. Il est nécessaire d’appliquer une correction au modèle de géoïde afin
d’obtenir des résultats satisfaisants ayant la précision définie par le cahier des charges. En effet la
correction du modèle global va permettre de tenir compte de la différence entre le niveau moyen des
mers déterminé par le modèle global et le niveau moyen des mers localement défini par le
marégraphe. Donc, de corriger le modèle global pour se ramener au système altimétrique local
déterminé par le niveau moyen des mers localement défini et par les mailles de nivellement à travers
le pays.

L’importance de corriger un modèle de géoïde va dépendre du type de projet. Le classement suivant
donne un aperçu des différents projets nécessitants d’appliquer une correction plus ou moins précise
du modèle de géoïde : Lignes électriques < Projets autoroutiers < Lignes à grandes vitesses < Projets
hydrauliques.

Les objectifs de cette étude sont les suivants :
- Inventorier l’étendue des services proposés en géodésie au sein de Fugro,
- Informer les clients en termes de géodésie dans des pays ne disposant pas de réseau
géodésique cohérent,
- Sensibiliser les clients aux différents référentiels existants,
- Etudier la mise en place concrète d’une solution altimétrique et planimétrique pour la
correction d’un modèle de géoïde (Projet Simandou).

Ce sujet a pour but dans un premier temps de faire un inventaire des solutions géodésiques
proposées par GEOID face aux différentes demandes des clients. Ce sont uniquement des solutions
internes qui seront détaillées car le but n’est pas de définir toutes les solutions existantes à travers le
monde.
Dans un second temps, nous verrons ce qu’est la gravimétrie terrestre et en quoi elle permet une
correction plus précise du modèle de géoïde localement. En effet c’est un élément complémentaire
dans la détermination du géoïde que la société GEOID a choisi d’utiliser pour le dernier projet de
réseau géodésique en Guinée Conakry.
Enfin, nous détaillerons le projet de Simandou qui est le dernier grand projet linéaire réalisé par
GEOID en Guinée Conakry auquel j’ai eu la chance de participer.
Nous terminerons par l’analyse des résultats et les perspectives d’évolutions en termes de méthodes
d’acquisition et de calcul du modèle de géoïde.

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