Quantification du relief terrestre à partir de grilles numériques : méthodes géomorphométriques, potentiel, analyse critique : tests et applications dans des zones de fronts montagneux

• Auteur / Autrice : Nahossio Gonga-Saholiarilava
• Direction : Yanni Gunnell, Catherine Mering
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géographie et environnement
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Modèles en géologie

Topographie de surfaces

Montagnes

Relief (géographie)

Géomorphologie

Résumé

Nous avons voulu rassembler ici le fruit de quatre années d'expérience en bureau d'étude et d'auto-apprentissage qui ont permis d'étudier et de caractériser des formes de la surface terrestre et des indicateurs de géomorphologie quantitative à partir d'analyses géomorphométriques basées sur des modèles ou grilles d'élévation. On y présente tout d'abord, sous forme d'un état des lieux, les caractéristiques et la structure des modèles d'élévation ainsi que la géomorphométrie et ses applications en géomorphologie et en reconnaissance de formes. Les bases analytiques et numériques des dérivées mathématiques de l'élévation (pente, convexités locales) et l'évaluation des erreurs au sein des modèles ont été développées et présentées dans un effort de synthèse didactique. Différents tests comparatifs à partir de grilles de sources et de résolutions variées ont été effectués sur plusieurs zones de fronts montagneux présélectionnées pour leurs caractéristiques structurales et géomorphologiques, débouchant sur des algorithmes d'analyse et de calcul adaptés aux conditions du terrain et proposant une méthodologie de cartographie de l'autocorrélation spatiale. À partir de l'analyse du réseau hydrographique et du calcul et de l'évaluation de la pente et des convexités locales, une procédure de localisation automatique des knickpoints a également été développée. Cette procédure est destinée à localiser rapidement et avec précision ces irrégularités dans le profil en long des rivières, par exemple pour des études exploratoires qui précèdent un travail de géomorphologie fluviale ou pour une analyse morphotectonique régionale. Cette nouvelle méthode a été testée dans le contexte de trois fronts montagneux : la Sierra Nacimiento (Nouveau Mexique), le segment de Weber des Wasatch Mountains (Utah), et le secteur de Solsona-Boixols dans les Pyrénées orientales espagnoles, et a permis d'identifier 50 à 80% des knickpoints observés sur le terrain. La variation des résultats obtenus dépend du type de modèle d'élévation utilisé et de sa résolution au sol. Pour de meilleurs résultats l'application demande à être calibrée plus finement grâce à l'introduction de contraintes géomorphométriques supplémentaires. Une telle amélioration se destinerait à prendre en compte l'ensemble des dynamiques d'écoulement fluvial qui caractérisent la présence d'un knickpoint et d'atteindre une capacité de détection de 70-80% quel que soit le modèle d'élévation retenu et la montagne considérée. Notre travail a permis de poser les bases d'un outil reproductible en fonction des paramètres intrinsèques aux modèles ou grilles d'élévation (erreurs, précision, exactitude et structure), qu'il est possible d'intégrer à des logiciels à finalité académique ou industrielle lorsqu'il s'agit d'utiliser les caractéristiques des réseaux hydrographiques comme instruments de diagnostic des dynamiques de la surface et de la subsurface terrestre.

This work brings together results from four years of both professional experience and self-study focusing on digital elevation models and grid studies, which today form an important basis for terrestrial surface analysis and research in quantitative geomorphology. A didactic inventory of the characteristics and structures of elevation models and their related geomorphometric components is proposed. Analytical and numerical development of the mathematical derivatives of elevation (i. E. Slope and local slope curvatures) and techniques for assessing errors and error propagation in DEMs are proposed, with emphasis on spatial autocorrelation mapping as a tool for locating error hotspots. Comparative tests were carried out on selected geographical areas exhibiting mountain fronts with specific structural and geomorphologic features. Algorithms and methods for the calculation and interpretation of primary and secondary topographic attributes were designed and tested for their suitability to the chosen terrain conditions. I have also developed a numerical script that performs an automated search of geomorphologic features such as river knickpoints on multiple drainage networks. This prototype is designed to locate knickpoints rapidly and effectively, e. G. For exploratory studies prior to field investigations or for mapping crustal deformation and/or structural geology on a regional scale. Verifications and tests are carried out on three mountain fronts with differing characteristics: the Sierra Nacimiento, New Mexico; the Weber segment, Wasatch Mountains, Utah; and the Solsona-Boixols area, eastern Spanish Pyrénées. Based on ground-truth checks, the script could identify 50 to 80% of knickpoints depending on DEM source and ground resolution. Improvements to the script performance ratings call for the introduction of additional geomorphometncal constraints. In order to be process-based as well as purely geomorphometric in nature, these must reflect the dynamics of river flow. A desirable target would be a detection capacity ranging between 70 and 80% whatever the DEM and the mountain terrain considered. This script offers a reproducible numerical tool based on the key geomorphometric parameters of elevation grids including considerations of error, precision, accuracy and structure. It can be readily incorporated into software commonly used in academic and industrial applications that rely on drainage system characteristics for interpreting surface or subsurface dynamics.