Pourquoi un référentiel basé sur le géoïde est-il nécessaire?

Même si l'actuel système de référence altimétrique (CGVD28) est précis sur de courtes distances (de l'ordre de 30 km), il comporte d'importantes déformations à l'échelle nationale. Il n'est accessible qu'à l'emplacement des repères de nivellement qui sont pour la plupart situés au Canada méridional. En outre, l'entretien d'un réseau de nivellement est très coûteux. C'est pourquoi la modélisation du géoïde constitue la meilleure solution de remplacement du nivellement. Un référentiel basé sur le géoïde serait accessible partout sur le territoire canadien au moyen des systèmes de géopositionnement satellitaires (dont le GPS).

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Qui a réellement besoin d'un nouveau référentiel altimétrique?

Un grand nombre d'intervenants utilisent déjà le GPS comme principal outil pour le positionnement exact et un modèle du géoïde leur est nécessaire pour convertir leurs altitudes ellipsoïdales en altitudes orthométriques. De plus, un nombre croissant d'intervenants effectuent des levés dans des régions éloignées où le référentiel altimétrique n'est pas accessible par des repères de nivellement.

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Pourquoi ne pas retarder l'adoption d'un nouveau référentiel altimétrique?

RNCan a cessé l'entretien du réseau de nivellement depuis 1996. Il est important que RNCan implante un nouveau référentiel avant que l'actuel référentiel se détériore au point où il pourrait s'avérer difficile d'assurer une transition sans heurt entre l'ancien et le nouveau référentiel. En outre, il existe déjà une importante communauté d'utilisateurs du GPS qui exigent un référentiel altimétrique exact fondé sur le GPS d'un bout à l'autre du pays.

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Les altitudes des repères de nivellement doivent-elles être modifiées?

Malheureusement, le CGVD28 présente d'importantes déformations d'un bout à l'autre du pays. Ces déformations seront corrigées par le nouveau référentiel, ce qui signifie que les altitudes absolues pourraient changer d'une valeur atteignant près de un mètre dans certaines régions. Dans plusieurs régions, les variations des altitudes seront inférieures à quelques cm. Les différences locales d'altitude resteront les mêmes dans les deux référentiels.

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Comment peut-on minimiser la confusion qui résultera de l'existence de deux référentiels altimétriques?

Le fait de maintenir deux référentiels altimétriques pendant la période de transition pourra engendrer de la confusion chez certains intervenants. RNCan et les organismes provinciaux indiqueront clairement le référentiel utilisé lorsqu'ils diffuseront des données altimétriques. Il est en outre important que les intervenants identifient convenablement dans leurs documents le référentiel utilisé. Une identification adéquate du référentiel permettra d'éliminer en grande partie la confusion.

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Le référentiel basé sur le géoïde représente-t-il mieux le niveau moyen de la mer que le référentiel CGVD28 basé sur le nivellement?

Il faut tout d'abord mentionner que le niveau moyen de la mer (NMM) n'est pas une surface de niveau. Tout comme les étendues émergées, les océans présentent une topographie permanente, bien que celle-ci ne varie que de –2,0 à 2,0 m à l'échelle du globe. Le CGVD28, qui est assujetti à un ensemble de marégraphes répartis d'un bout à l'autre du pays, représente le NMM à ces endroits particuliers. Cependant, ces contraintes sont celles-là mêmes auxquelles il fait attribuer une partie des erreurs systématiques entachant le CGVD28. D'autre part, le géoïde, qui est une surface de niveau, ne coïncide pas avec le NMM. Le référentiel basé sur le géoïde se situera cependant près du NMM sur la côte Est parce qu'il sera défini comme représentant le NMM au marégraphe de Rimouski. L'emplacement de ce marégraphe est un des emplacements utilisés comme contrainte pour le CGVD28 et l'unique contrainte pour le NAVD88 (le référentiel altimétrique américain). RNCan diffusera un modèle représentant l'écart entre le géoïde et le NMM le long des côtes canadiennes.

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Comment les altitudes estimées au moyen du GPS et corrigées en utilisant un modèle du géoïde correspondent-elles avec les altitudes suivant le CGVD28?

Le CGVD28 comporte des erreurs systématiques, qui peuvent atteindre près de un mètre au sens absolu. Toutefois, les différences d'élévation locales par GPS et corrigées au moyen du modèle du géoïde concorderont bien avec le CGVD28.

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Comment pourrai-je valider la précision/l'exactitude de mes altitudes lorsque j'utiliserai une approche GPS/géoïde?

Les stations du Réseau de base canadien (RBC) du fédéral et des Réseaux de grande précision (RGP) provinciaux peuvent être utilisées par les intervenants pour valider leurs procédures GPS/géoïde de détermination de positions 3D exactes. De plus, des positions 3D sont disponibles pour plusieurs repères de nivellement; cependant, la qualité de ces positions 3D peut varier suivant l'époque à laquelle ont été effectuées les observations GPS. Il faut en outre être prudent quant à la stabilité des repères de nivellement.

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Est-ce que je peux encore exécuter des levés par nivellement au niveau à bulle et les intégrer au nouveau référentiel altimétrique?

Oui, la plupart des repères de nivellement auront une altitude suivant le nouveau référentiel. S'il n'y a aucun repère de nivellement à une distance raisonnable de votre projet, vous pouvez installer vos propres stations de contrôle par GPS dans la région du projet et reprendre les travaux localement par la méthode du nivellement.

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Est-ce que je devrai mettre à jour les altitudes que renferme ma base de données ou qui sont représentées sur mes cartes topographiques?

Cela dépendra de l'exactitude de vos jeux de données et pourrait ne pas être nécessaire si les changements sont de moindre valeur que l'erreur associée à vos jeux de données. Un outil de conversion sera offert pour permettre de convertir les élévations d'un référentiel à l'autre. Si vos jeux de données ne comportent que des données locales, la conversion pourrait simplement consister en l'ajout d'une constante.

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Comment pourrai-je maintenir la compatibilité entre les levés existants et les nouveaux levés altimétriques?

La compatibilité entre les levés existants et les nouveaux levés peut être maintenue en exécutant le premier des nouveaux levés suivant les deux référentiels. Cela permettra de déterminer la relation entre les données existantes et les nouvelles données. Si le projet est local, la conversion devrait être aussi simple que l'ajout d'un biais aux anciens ou aux nouveaux jeux de données.

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Comment se nommera le nouveau référentiel altimétrique?

Aucune décision n'a encore été prise à ce sujet. Cependant, le nouveau référentiel altimétrique pourrait être identifié par l'acronyme CGVD2010(CGG2008), où l'acronyme entre parenthèses désignerait le modèle du géoïde matérialisant le référentiel altimétrique. Si le modèle du géoïde était mis à jour en 2015 suivant le même système de référence, le référentiel pourrait être identifié par l'acronyme CGVD2010 (CGG2015).

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Pourquoi faut-il un nouveau nom pour le référentiel altimétrique?

Le nouveau référentiel altimétrique doit être identifié par un acronyme différent parce que le CGVD28 et le nouveau référentiel ne sont pas établis suivant le même système de référence, c.-à-d. qu'ils ne sont pas définis par les même critères. Nous ne parlons pas ici de la méthode utilisée pour la matérialisation du référentiel altimétrique, c.-à-d. le nivellement par opposition à la modélisation du géoïde, mais bien plutôt du fait que le CGVD28 est défini d'après le NMM tel qu'établi à l'emplacement de cinq marégraphes répartis d'un bout à l'autre du Canada alors que le nouveau référentiel est défini d'après la surface équipotentielle coïncidant avec le niveau moyen de l'eau au marégraphe de Rimouski. Ainsi, le nouveau référentiel altimétrique pour le Canada aura fondamentalement le même système de référence que le NAVD88.

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Le NAVD88 et le nouveau référentiel altimétrique au Canada coïncideront-ils le long de la frontièr?

Même si le NAVD88 et le nouveau référentiel sont définis suivant le même système de référence, ils ne coïncideront pas le long de la frontière. L'information la plus récente indique que le NAVD88 est incliné par rapport au plus récent modèle gravimétrique du géoïde (CGG2005) élaboré par RNCan. Le NAVD88 indique que le NMM à proximité de Vancouver se situe à 1,5 m au-dessus du NMM à proximité de Halifax. D'autre part, le CGG2005 indique une différence de 0,5 m seulement. Ainsi, l'écart entre les deux matérialisations du système de référence augmentera graduellement de Rimouski (0.0 m) à Vancouver (1.0 m).

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Quelle est la précision du référentiel altimétrique basé sur le géoïde?

Le référentiel basé sur le géoïde offrira une exactitude absolue supérieure à celle du CGVD28 d'un bout à l'autre du pays. Le modèle du géoïde ne sera pas pour autant exempt d'erreurs, mais il ne devrait comporter aucune erreur systématique supérieure au décimètre (à un niveau de confiance de 95 %) dans l'ensemble du pays. Le CGVD28 comporte des erreurs systématiques pouvant atteindre près de un mètre. Dans l'ensemble, l'exactitude du modèle du géoïde sera d'approximativement de 3 à 5 cm. D'autre part, la précision relative du modèle du géoïde sera comparable à celle du nivellement au niveau à bulle. Bien entendu, la précision relative des altitudes orthométriques obtenues au moyen du GPS dépendra également de la précision avec laquelle sont déterminées les altitudes ellipsoïdales.

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Comment le modèle du géoïde peut-il être encore amélioré?

Entre la fin des années 80 et aujourd'hui, les modèles du géoïde ont été considérablement améliorés. Des changements de l'ordre de quelques mètres ont été observés. De nos jours, la théorie tient compte d'un grand nombre de termes auparavant formellement omis ou négligés; il existe davantage de données gravimétriques acquises au sol et depuis l'espace, et de meilleurs modèles numériques d'élévations (MNE) sont disponibles. Ces nouvelles sources d'information stabilisent actuellement la matérialisation de nouveaux modèles du géoïde. En outre, la modélisation du géoïde est de plus en plus acceptée à l'échelle du globe comme méthode d'avenir pour la définition de référentiels altimétriques nationaux ou continentaux. Ainsi, les maisons d'enseignement nationales et internationales ainsi que les organismes gouvernementaux mettent au point de nouvelles méthodes permettant d'obtenir de meilleures exactitudes en modélisation du géoïde. RNCan reste à l'avant-garde de toutes ces nouvelles démarches.

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Quelle sera la variation en fonction du temps pour une altitude orthométrique mesurée au moyen du GPS et corrigée d'après un modèle du géoïde (taux de variation de h et taux de variation de N)?

La Terre est une planète dynamique constamment en changement. Certains de ces changements peuvent être très radicaux (comme les glissements de terrain et les séismes), alors que d'autres peuvent être plus subtils (p. ex. relèvement post-glaciaire). Lors d'événements marquants les repères de nivellement peuvent bouger de manière importante ou être complètement détruits et on perd alors l'accès au référentiel altimétrique. D'autre part, l'incidence d'un événement radical sur le géoïde est très faible et il est ainsi possible d'effectuer de nouvelles mesures GPS pour immédiatement installer de nouvelles stations de contrôle. Les changements subtils sont difficiles à détecter parce qu'ils touchent de très grandes régions. Ils ne sont habituellement pas détectés à l'exécution de levés relatifs locaux (p. ex. par nivellement ou GPS différentiel). Cependant, des méthodes GPS comme le positionnement ponctuel précis (PPP) révèlent que le terrain peut bouger de jusqu'à 1 cm par année. Ce changement dynamique de la topographie entraînera également un changement de 10 % du géoïde. Ainsi, les composantes de longue longueur d'once du géoïde peuvent varier par approximativement 1 cm à tous les dix ans.

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Comment le modèle du géoïde est-il validé?

Un modèle du géoïde peut être validé de deux manières : par la propagation d'erreur et au moyen de jeux de données indépendants. Dans le premier cas, le défi consiste à associer un modèle d'erreur réaliste aux données d'entrée nécessaires pour la détermination d'un modèle du géoïde. Cette évaluation interne de l'exactitude peut s'avérer trop optimiste parce qu'elle ne tiendra pas compte des erreurs systématiques et des omissions. Dans le deuxième cas, l'approche des mesures GPS sur RN est la plus couramment utilisée. Elle consiste à comparer les modèles du géoïde (N) aux ondulations du géoïde déterminées d'après des altitudes ellipsoïdales GPS (h) et aux altitudes orthométriques établies par nivellement (H) : h - H - N = ε. L'écart devrait être de zéro (ou constant) si chaque altitude est exempte d'erreur. Le problème que pose cette méthode est la difficulté que pose la dissociation des erreurs attribuables au modèle du géoïde, aux données de nivellement, aux mesures GPS et à la stabilité des repères de nivellement. On pourrait par ailleurs valider de manière indépendante les modèles du géoïde par altimétrie radar par satellite ainsi que d'après les déviations astrogéodésiques de la verticale.

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Sans de nouvelles lignes de nivellement, comment sera-t-il validé à l'avenir?

Les repères de nivellement (RN) existants resteront en place pendant plusieurs années à venir et la plupart d'entre eux sont assez stables. Même si nous n'exécutons pas de nouveaux levés de nivellement, nous disposerons de nombreuses lignes de nivellement pour la validation des modèles du géoïde pendant encore plusieurs années. De plus, lorsque la plupart des RN auront disparu, la validation des modèles du géoïde par des mesures «GPS sur RN» ne constituera plus une priorité.

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Quelle sera la fréquence de publication de nouveaux modèles du géoïde?

Nous savons qu'il est impossible d'élaborer un modèle du géoïde exempt d'erreur. Le modèle ne pourra toujours que refléter la qualité de la théorie et des données d'entrée. Ces deux éléments seront sans aucun doute améliorés au fil du temps. Il est pour le moment difficile de prévoir à quelle fréquence seront publiés de nouveaux modèles, mais nous ne nous attendons pas à ce que les changements apportés aux modèles du géoïde soient plus importants que ceux qu'il a été nécessaire d'apporter au CGVD28 au cours des 75 dernières années. De plus, les modèles ne seront pas publiés à une fréquence supérieure à la fréquence actuelle, c'est-à-dire approximativement à tous les cinq ans.

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À quelle matérialisation du cadre de référence 3D réfère le référentiel altimétrique basé sur le géoïde?

Un modèle du géoïde est déterminé d'après des mesures gravimétriques. Sachant que la force gravitationnelle s'exerce en direction du centre de masse, nous supposons que le cadre de référence est l'ITRF. Habituellement, on l'associe à la plus récente matérialisation de l'ITRF (p. ex. ITRF05). Le modèle du géoïde est converti au NAD83(SCRS) par une transformation à sept paramètres (rotations, translations et échelle). L'époque du modèle du géoïde est déterminée d'après la période des observations des données satellites.

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Quelle méthode puis-je utiliser pour convertir mes altitudes existantes suivant le CGVD28 en altitudes suivant le nouveau référentiel (ou l'inverse)?

Il y a trois approches possibles. Premièrement, on peut effectuer ses propres levés GPS sur un ensemble de RN dans sa région et déterminer l'écart entre les deux référentiels (ε = (h-N)_nouveau- H_ancien). L'avantage de cette approche est qu'elle permet de convertir tout référentiel local au nouveau référentiel. L'inconvénient est qu'il faut être en mesure de déterminer des altitudes au-dessus de l'ellipsoïde exactes suivant le bon cadre de référence. Une deuxième approche consiste à télécharger l'information relative aux repères de nivellement existants dans sa région. Des altitudes seront publiées pour la plupart des RN suivant les deux référentiels (CGVD28 et nouveau référentiel). Enfin, une troisième approche consiste à utiliser l'outil de Conversion nationale des altitudes (CNA) qui prend la forme d'une grille portant les valeurs de l'écart entre le CGVD28 et le nouveau référentiel d'un bout à l'autre du Canada. Même si les repères de nivellement sont assez denses le long des lignes de nivellement, ces dernières peuvent elles-mêmes être très éparses entre les lignes de nivellement. Ainsi, l'outil de CNA pourrait ne pas être représentatif de l'écart réel dans une région aux lignes de nivellement éparses.

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Je suis déconcerté par tous ces acronymes : NAD83, NAD83(SCRS), ITRF, CGVD28, NAVD88, NGVD29, SRIGL85, GSD95, CGG2000, HTv2.0, GEOID03, etc. Quelle est la différence?

Depuis fort longtemps, on utilise en géodésie deux types de cadres de référence : un réseau planimétrique 2D (latitude et longitude) et un réseau altimétrique 1D (unidimensionnel, altitudes au-dessus du niveau moyen de la mer). De nos jours, avec l'avènement du positionnement par satellites, on parle de réseaux 3D (latitude, longitude et altitude ellipsoïdale).

1. Le NAD27 et NAD83 sont des réseaux planimétriques classiques alors que le NAD83(SCRS) et l'ITRF sont des réseaux 3D modernes. Les composantes planimétriques du NAD83(SCRS) sont plus précises que celles du NAD83. Le NAD83, que l'on croyait centré au centre de masse de la Terre à l'époque de son élaboration, est en réalité éloigné d'approximativement deux mètres de ce dernier. L'ITRF est un cadre de référence global dont l'origine se situe au centre de masse (±2 cm). Il existe plusieurs matérialisations de l'ITRF (p. ex., ITRF97, ITRF00). Ce sont de nouvelles versions plus précises que les versions antérieures. Les coordonnées suivant l'ITRF peuvent être converties en coordonnées suivant le NAD83(SCRS), ou inversement, au moyen d'une transformation à 7 paramètres. WGS84 est un cadre de référence compatible à l'ITRF.
2. Le CGVD28, le NGVD29, le NAVD88 et le SRIGL85 sont des réseaux altimétriques classiques. Ces réseaux sont matérialisés par nivellement au niveau à bulle. Le CGVD28 est le référentiel altimétrique actuellement utilisé au Canada. Le NGVD29 est l'ancien référentiel altimétrique pour les États-Unis et, en 1995, il a été remplacé par le NAVD88 qui est une compensation sous contrainte minimale des données de nivellement pour l'Amérique du Nord. Le SRIGL85 est un référentiel altimétrique spécial pour la Voie maritime du Saint-Laurent et les Grands Lacs.
3. Le GSD91, le GSD95, le CGG2000, le CGG2005, la HTV2.0 et le GEOID03 sont des modèles du géoïde. Un modèle du géoïde est une partie intégrante d'un réseau 3D permettant la conversion des altitudes ellipsoïdales en altitudes orthométriques (hauteurs au-dessus d'un référentiel altimétrique). Le GSD91, le GSD95, le CGG2000 et le CGG2005 sont des modèles entièrement gravimétriques du géoïde. Chaque nouveau modèle constitue une meilleure représentation du géoïde. L'acronyme de la forme CGGxxxx est maintenant l'identification normalisée qui a été retenue pour désigner les modèles gravimétriques du géoïde au Canada. La HTv2.0 et le GEOID03 sont des modèles hybrides du géoïde, c.-à-d. qu'ils sont des modèles du géoïde déformés de manière à représenter un référentiel établi par nivellement. La HTv2.0 est une représentation du CGVD28. Les lettres HT représentent l'expressions anglaise Height Transformation (transformation des altitudes). Le GEOID03 est une représentation du NAVD88 aux États-Unis. Au Canada, nous avons choisi de ne pas nommer nos modèles hybrides du nom géoïde parce qu'ils sont déformés de manière à représenter un référentiel altimétrique qui comporte des erreurs systématiques importantes.

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Pourquoi l'altitude des repères de nivellement change-t-elle?

Il y a trois raisons fondamentales pour lesquelles l'altitude des repères de nivellement change. 1) l'élaboration d'un nouveau système de référence, 2) la mise en place d'une nouvelle matérialisation du système de référence et 3) la Terre est une planète dynamique.

1. Les changements attribuables à un nouveau système de référence sont rares parce que nous n'adoptons que rarement un nouveau système de référence. Par exemple, les coordonnées suivant le NAD83 (SCRS) diffèrent de celles suivant l'ITRF parce que ces deux systèmes de référence n'ont pas la même origine (origines éloignées d'environ 2 m l'une de l'autre).
2. Les changements attribuables à une nouvelle matérialisation du système de référence sont plus fréquents parce que de nouvelles observations modifient le cadre de référence. Par exemple, les stations de contrôle auront de nouvelles coordonnées mises à jour d'après des observations plus précises.
3. La Terre n'est pas statique. Elle subit des séismes, des glissements de terrain et des relèvements post-glaciaires pour ne nommer que quelques-uns des changements naturels auxquels elle est soumise. Certains changements sont en outre attribuables à l'homme. Par exemple, des affaissements sont causés par l'exploitation minière ou l'exploration à la recherche de ressources pétrolières, ou encore à la construction de grandes installations hydroélectriques.

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