Modernisation du système de référence altimétrique

Ressources naturelles Canada (RNCan) a fait le lancement du Système canadien de référence altimétrique de 2013 (CGVD2013) qui est maintenant le nouveau standard de référence pour les altitudes à travers le Canada. Ce nouveau système de référence altimétrique remplace le Système canadien de référence altimétrique de 1928 (CGVD28) qui a été adopté officiellement par un décret en conseil en 1935.

CGVD2013 est défini par la surface équipotentielle ( W0 = 62636856,0m2s-2) , représentant par convention le niveau moyen de la mer côtière pour l’Amérique du nord. Cette définition vient d’une entente entre les États-Unis d’Amérique et le Canada. Ce nouveau datum vertical est matérialisé par le modèle du géoïde CGG2013 qui fournit la séparation entre l’ellipsoïde de GRS80 et la surface décrite ci-haut dans le cadre de référence géométrique NAD83(SCRS), le faisant ainsi compatible avec les Systèmes de positionnement par satellites (ou sous son sigle anglais GNSS) tel que le GPS.

L’altitude des repères altimétriques est aussi disponible en CGVD2013. Ces altitudes proviennent d’un réajustement de l’ensemble du réseau de nivellement fédéral de premier ordre. Cependant, les altitudes en CGVD2013 dérivées à partir de mesures GNSS et du modèle du géoïde CGG2013 prévalent sur les élévations publiées parce que RNCan ne peut pas confirmer la précision des élévations et la stabilité des repères altimétriques du réseau de nivellement vieillissant.

RNCan continue la publication des altitudes CGVD28 aux repères altimétriques et du modèle du géoïde hybride HTv2.0 afin d’assurer une période de transition graduelle et en douceur vers le nouveau système de référence altimétrique.

Information sur le Système canadien de référence altimétrique de 2013 (CGVD2013)

En novembre 2013, Ressources naturelles Canada (RNCan) a fait le lancement du Système canadien de référence altimétrique de 2013 (CGVD2013) qui est maintenant le nouveau standard pour les altitudes à travers le Canada. Ce nouveau système de référence altimétrique remplace le Système canadien de référence altimétrique de 1928 (CGVD28) qui a été adopté officiellement par un décret en conseil en 1935.

CGVD2013 est défini par la surface équipotentielle W0=62636856,0m2s−2, représentant par convention le niveau moyen de la mer côtière pour l’Amérique du nord. Cette définition vient d’une entente entre les États-Unis d’Amérique et le Canada. Ce nouveau datum vertical est matérialisé par le modèle du géoïde CGG2013 qui fournit la séparation entre l’ellipsoïde de GRS80 et la surface décrite ci-haut dans le cadre de référence géométrique NAD83(SCRS), le faisant ainsi compatible avec les Systèmes de positionnement par satellites (ou sous son sigle anglais GNSS) tel que le GPS. Le CGG2013 est aussi disponible dans le cadre de référence ITRF2008.

  • Le CGG2013 (modèle et précision) peut être téléchargé à la page suivante: Modèles du géoïde
  • Le CGG2013 (modèle et précision) est aussi disponible avec le progiciel GPS-H v3.2 à la page suivante: Applications bureautiques

La figure ( HCGVD2013−HCGVD28 ) montre la séparation entre le CGVD2013(CGG2013) et le CGVD28(HTv2.0).

L’altitude des repères altimétriques est aussi disponible en CGVD2013. Ces altitudes proviennent d’un réajustement de l’ensemble du réseau de nivellement fédéral de premier ordre. Afin d’obtenir des altitudes conformes au CGVD2013, le réseau de nivellement est contraint à des nombres géopotentiels (C) qui ont été calculés à partir d’altitudes géodésiques précises (h), du modèle du géoïde CGG2013 (N) et des valeurs interpolées de la gravité (g) : C = (h – N)* gm , où gm est la gravité moyenne entre le géoïde et la station le long du fils à plomb. Les stations sélectionnées appartiennent au Système canadien de contrôle actif (SCCA), du réseau de base canadien (RBC) et du projet « GPS sur BM ». Le réseau de nivellement continental a 32 contraintes. Le réseau de Terre-Neuve a 4 contraintes. Une seule contrainte est requise pour le réseau de l’Île-du-Prince-Édouard. Le réseau de nivellement de l’île de Vancouver inclut 2 contraintes, une à chaque extrémité de l’île. Des ajustements avec contrainte minimum ont été faits pour chacun des réseaux locaux : Île d’Anticosti, Îles de la Madeleine, Kuujjuarapik et les marégraphes à Nain, Iqaluit, Resolute, Baker Lake, Holman, Alert, Kugluktuk, Igloolik, and Sorel. La figure montre l’ensemble du réseau de nivellement ajusté avec le lieu des contraintes (triangles).

Même si chaque repère de nivellement a une nouvelle élévation dans le CGVD2013, les altitudes dérivées à partir de mesures GNSS et du modèle du géoïde CGG2013 prévalent sur les élévations publiées parce que RNCan ne peut pas confirmer la précision des élévations et la stabilité des repères altimétriques du réseau de nivellement vieillissant.

RNCan continue la publication des altitudes CGVD28 aux repères altimétriques et du modèle du géoïde hybride HTv2.0 afin d’assurer une période de transition graduelle et en douceur vers le nouveau système de référence altimétrique.

Quelques informations importantes :

  • Les usagers devraient utiliser la version NAD83(SCRS) du CGG2013 pour leurs activités régulières parce qu’elle est reconnue comme la version « fondamentale » par RNCan. La version ITRF2008 peut être utilisée pour des applications scientifiques. La version NAD83(SCRS) est calculée directement de la solution géocentrique (version ITRF2008) en appliquant une transformation de sept paramètres pour l’époque 2011.0 :
    • Tx = -1,0045 m / Rx = 26,8481 mas
    • Ty = 1,9117 m / Ry = -1,1777 mas
    • Tz = 0,5453 m / Rz = 10,8807 mas
    • Échelle = -0,2872 ppb
  • Même si le modèle du géoïde est associé à une époque (2011,0), il ne demeure pas moins qu’il est considéré comme statique, c.-à-d., que les ondulations du géoïde n’ont pas de changement temporel. L’époque de 2011,0 est requise pour la transformation entre l’ITRF2008 et le NAD83(SCRS) dû au fait de la dérive temporelle entre les réalisations ITRF. L’époque de 2011,0 est choisie car elle représente environ le milieu de l’intervalle de temps des mesures GOCE utilisées dans CGG2013.
  • Les altitudes obtenues par GNSS/CGG2013 ne seront pas les mêmes que celles publiées aux repères altimétriques parce qu’elles proviennent de l’ajustement d’un réseau de nivellement de premier ordre vieillissant qui inclut des erreurs systématiques et aléatoires. Généralement, la différence absolue est inférieure à 5 cm mais il est aussi possible que la différence soit de l’ordre de 20 cm, tout particulièrement dans le Territoire du Yukon où les boucles de nivellement ne ferment pas précisément et où les repères sont des tiges de 5 pieds dans le permafrost (très instable). Par contre, les différences relatives devraient être à l’intérieur d’une enveloppe de 1 à 2 cm pour des levés régionaux.
  • L’altitude officielle d’un repère de nivellement (ou tout autre point) est déterminée par des mesures GNSS suivant le NAD83(CSRS) et corrigée par le modèle du géoïde CGG2013. D’un tel point, il est alors possible d’entreprendre un levé de nivellement et de bien être intégré dans le CGVD2013. En initiant un levé à partir d’un repère ayant une élévation publiée qui vient de l’ajustement du réseau de nivellement, il est possible que le levé soit décalé par rapport au CGVD2013.
  • Avant d’adopter le CGVD2013, les intervenants devraient poursuivre des études régionales du nouveau référentiel altimétrique afin de bien comprendre l’impact possible sur leurs activités et leurs produits. Dans certain cas, l’analyse pourrait être simple si, par exemple, l’objectif est d’intégrer des altitudes de précision supérieure à 10 cm au CGVD2013. D’autre part, il peut être demandant lorsque que l’on regarde à des précisions de l’ordre de quelques cm sur une région relativement grande et que l’on cherche à comprendre la souche de la différence par rapport à l’ancien datum vertical. La précision relative et absolue de CGG2013 répond à la plupart des besoins nationaux en termes de référence altimétrique.
  • Finalement, le modèle du géoïde n’est pas sans erreurs et RNCan continuera à l’améliorer au cours des ans. La prochaine version est prévue en 2018 pour reprendre le cycle de cinq ans. De plus, un nouveau modèle du géoïde sera disponible vers 2022 lorsque les américains adopteront également un datum vertical basé sur le géoïde, créant ainsi une surface continue à travers les deux pays. Les nouvelles versions demeureront dans la définition du CGVD2013.
 

Retour en haut

Qu’est-ce que la modernisation du système de référence altimétrique?

La Modernisation du système de référence altimétrique est un projet de Ressources naturelles Canada qui vise l'élaboration, la mise en œuvre et l'encouragement à utiliser au Canada un référentiel altimétrique basé sur la gravimétrie. En d'autres termes, il s'agit de la redéfinition du système de référence altimétrique et l'élaboration d'un nouveau cadre de référence altimétrique par modélisation du géoïde plutôt que par nivellement géodésique. Il permet la mesure d’altitudes par rapport à un référentiel altimétrique cohérent d'un bout à l'autre du pays au moyen de Système de positionnement par satellites (GNSS, de l’anglais Global Navigation Satellite Systems) et des technologies émergentes du GNSS. Cette nouvelle approche permet de réduire la dépendance à l'endroit des réseaux matérialisés par des repères altimétriques pour la détermination des altitudes. Elle réduit la nécessité de l'entretien physique des quelque 90 000 repères de nivellement, pour ne laisser qu’à entretenir qu'environ 250 stations constituant le Système canadien de contrôle actif (SCCA),  et le Réseau de base canadien (RBC). Ces réseaux seront complétés par les Réseaux de grande précision (RGP) provinciaux.

Le projet comprend deux volets principaux:

  1. Planification et mise en oeuvre stratégique, et
  2. Amélioration du modèle du géoïde.

Le volet Planification et mise en œuvre stratégique est mené en collaboration avec les organismes provinciaux et territoriaux responsables de la géodésie. Les activités dans le cadre de ce volet comprennent une consultation des intervenants, l'élaboration d'un plan de mise en œuvre et d'un plan de communication, la préparation de matériel didactique et la promotion du nouveau cadre de référence altimétrique par Internet et lors de conférences et d'ateliers.

Le volet Amélioration du modèle du géoïde est l'aspect technique du projet. Il comprend l'amélioration du modèle du géoïde et de son modèle d'erreur en fonction des théories les plus récentes, la collecte de nouvelles données gravimétriques (au sol et depuis l'espace) et de modèles numériques d'élévations, la validation du modèle du géoïde par l'exécution de levés GNSS et de nivellement, et l'élaboration d'outils pour l'utilisation du nouveau référentiel altimétrique. Ce volet comprend en outre une contribution des établissements d'enseignement et d’agences internationales.

 

Retour en haut

Pourquoi un nouveau référentiel?

Même si le Système géodésique de référence altimétrique de 1928 (CGVD28) reste dans l'ensemble localement très précis, il ne fournit pas l'exactitude nécessaire de nos jours à l'échelle du pays. En outre, l'entretien et l'expansion par nivellement du réseau altimétrique sont coûteux, chronophages et laborieux. Une nouvelle compensation des  réseaux de nivellement, similaire à celle menée dans le cadre du projet NAVD 88, ne constituerait qu'une solution temporaire et, bien que plus exacte que le CGVD28, elle ne résoudrait aucunement les problèmes posés par la couverture restreinte et les coûts d'entretien de celui-ci.

D'autre part, la modélisation du géoïde constitue une solution de remplacement viable pour la modernisation du référentiel altimétrique au Canada. Le géoïde présente une surface stable dont la position peut être déterminée avec exactitude sur l'ensemble du territoire canadien. Il est défini par rapport à l'ellipsoïde de référence (ondulations du géoïde), ce qui le rend compatible avec les technologies du positionnement depuis l'espace (p. ex. GNSS, altimétrie radar par satellites). L'altitude ellipsoïdale (h), tel que déterminé par les technologies des GNSS peut être convertie en altitude orthométrique (H), lorsque l'ondulation du géoïde (N) est connue sous: H = h – N

Figure 1

Figure 1: Altitude ellipsoïdale, altitude orthométrique et ondulation du géoïde

L’altitude par rapport au Niveau Moyen de la Mer (H) (aussi appelée altitude orthométrique) est obtenue en soustrayant l’ondulation du géoïde (N) de l’altitude ellipsoïdale (h) venant du GNSS. L’ondulation du géoïde (N) est positive (+) lorsque le géoïde se situe au-dessus de l’ellipsoïde et elle est négative (-) lorsque le géoïde se situe en dessous de l’ellipsoïde.

 

Retour en haut

Quel sera l'effet sur mes activités?

La mise en œuvre du CGVD2013 corrige les distorsions dans le CGVD28 qui varient entre -65 cm et +55 cm.  Les plus grands changements absolus sont dans les Maritimes, où le nouveau datum vertical est plus haut par de 65 cm, ce qui signifie des altitudes plus basses dans la région.  Dans les Rocheuses, le datum vertical est plus bas de 50 cm, ce qui signifie des altitudes plus élevées.

L’impact de ces différences sur les utilisateurs dépendra de la précision requise, de l’emplacement et de la grandeur de leur projet.  Il existe trois principales catégories d’utilisateurs.   La première catégorie comprend ceux qui ont besoin d’altitudes à quelques mètres de précision (par exemple, des modèles numériques d’élévation).  Dans ce cas, la différence entre le CGVD28 et le CGVD2013 peut être négligée.  Ceux qui ont besoin d’une précision de moins de 10 centimètres le long de corridors de quelques dizaines de kilomètres (par exemple, un levé LiDAR) constituent la deuxième catégorie.  Pour ces utilisateurs, la différence entre le CGVD28 et le CGVD2013 doit être considérée.  Enfin, la troisième catégorie représente ceux qui transfèrent des altitudes de moins de 2 cm sur de petites régions (par exemple, infrastructure municipale).  Pour ces utilisateurs, la différence entre le CGVD28 et le CGVD2013 devrait être envisagée, mais généralement l’application d’un biais est suffisante.

Ainsi, à court terme, RNCan continue la diffusion des repères de nivellement en CGVD28 mais dissémine également le modèle du géoïde CGG2013 et l’altitude des repères de nivellement en CGVD2013.  CGG2013 permet la transformation directe des altitudes géodésiques déterminées au moyen du GNSS en altitudes orthométriques qui sont cohérentes au CGVD2013 partout au Canada.

L'effet à long terme sera la disparition et la fiabilité des repères de nivellement existants d'un bout à l'autre du pays. Cela exigera que les intervenants installent leurs propres stations de contrôle altimétrique, ce qui peut se faire en installant et en entretenant de nouveaux repères de nivellement, par la méthode du nivellement au niveau à bulle, d'après les repères de nivellement existants avant qu'ils disparaissent. D'autre part, cela peut également se faire de manière plus efficace en installant à la volée de nouveaux repères dans une région d'intérêt en exécutant des levés RTK, GNSS par rapport aux stations du CACS, du RBC ou des RGP, ou encore en effectuant un Positionnement ponctuel précis (PPP) par GNSS. Le levé altimétrique local peut être repris par GNSS ou par la méthode du nivellement au niveau à bulle.

 

Retour en haut

Systèmes de référence altimétrique

Système canadien de référence altimétrique de 2013 (CGVD2013)

Le Système canadien de référence altimétrique de 2013 (CGVD2013) a été lancé officiellement en novembre 2013.  Il remplace le Système canadien de référence altimétrique de 1928 (CGVD28).

CGVD2013 est un datum gravimétrique défini par la surface équipotentielle W0=62636856,0m2s-2, représentant le potentiel moyen du niveau de la mer à des marégraphes le long de la côte nord-américaine. La définition et la valeur du géopotentiel viennent d’une  entente  entre le Canada et les États-Unis.  Le modèle canadien du géoïde gravimétrique de 2013 (CGG2013) est la première matérialisation du CGVD2013. CGG2013 est offert en NAD83(SCRS) et en ITRF2008 pour l’ellipsoïde de GRS80, le faisant cohérent avec les systèmes de positionnement par satellites.  Les altitudes en termes du CGVD2013 sont orthométriques (H).

Les réseaux de nivellement (continent, Île-du-Prince-Édouard, Terre-Neuve, Île de Vancouver et autres îles) sont réajustés en conformité avec le CGVD2013 en contraignant les mesures de nivellement à des stations ayant des altitudes géodésiques précises en NAD83(SCRS). Les altitudes CGVD2013 aux repères de nivellement ne sont pas considérées comme officielles parce qu’elles sont déterminées à partir de données héritées. RNCan n’est pas dans la possibilité de confirmer la stabilité des repères de nivellement. L’altitude officielle d’un repère altimétrique est celle déterminée par des observations GNSS et le modèle du géoïde matérialisant le CGVD2013.

Système canadien de référence altimétrique de 1928 (CGVD28)

Le Système canadien de référence altimétrique de 1928 (CGVD28) est l’ancien datum vertical pour le Canada. Il avait été adopté officiellement par un décret en conseil en 1935. CGVD28 est un datum marégraphique défini par le niveau moyen de l’eau à cinq marégraphes : Yarmouth et Halifax sur l’océan Atlantique, Pointe-au-Père sur le fleuve St-Laurent, et Vancouver et Prince-Rupert sur l’océan Pacifique. En outre, sa définition comprend une altitude à un repère altimétrique situé à Rouses Point, NY (près du lac Champlain), dont l’altitude a été convenue par les États-Unis et le Canada en 1925. Le datum est propagé à l’intérieur des terres par des mesures de nivellement géodésiques. Le datum vertical est accessible par l’entremise de quelques 94,000 repères altimétriques ancrés au sol ou à des structures stables. Les altitudes en termes du CGVD28 sont normale-orthométriques (Hno).

Système nord-américain de référence altimétrique de 1988 (NAVD 88)

Le Système nord-américain de référence altimétrique de 1988 (NAVD 88) est le datum vertical des États-Unis d’Amérique. Il a été affirmé comme le datum vertical officiel dans le National Spatial Reference System (NSRS) des États-Unis contigus et de l’Alaska en 1993. NAVD 88 est un datum marégraphique défini par le niveau moyen de l’eau au marégraphe de Rimouski, Québec. Le datum est propagé à l’intérieur des terres par des mesures de nivellement géodésiques. Le datum vertical est accessible par l’entremise de repères altimétriques ancrés au sol et à des structures stables. Les altitudes en termes du NAVD 88 sont orthométriques de Helmert (HH).  Le Canada n’a pas adopté le NAVD 88. Cependant, des altitudes en NAVD 88 sont disponibles pour un sous ensemble du réseau de nivellement canadien.

Le Datum international des Grands Lacs de 1985 (IGLD85) vient du même ajustement que le NAVD 88.  Cependant, les altitudes en termes du IGLD85 sont dynamiques (Hd).  Les altitudes IGLD85 aux repères de nivellement sont disponibles en contactant RNCan.

Tableau 1: Sommaire des trois principaux systèmes de référence altimétriques
  Système canadien de référence altimétrique de 2013 Système canadien de référence altimétrique de 1928 Système nord-américain de référence altimétrique de 1988
Abréviation CGVD2013 CGVD28 NAVD 88
Type de datum Gravimétrique (modèle du géoïde) Marégraphique (nivellement) Marégraphique (nivellement)
Datum vertical W0=62636856,0m2s-2 Niveau moyen de l’eau aux marégraphes de Yarmouth, Halifax, Pointe-au-Père, Vancouver et Prince-Rupert, et une altitude à Rouses Point, NY. Niveau moyen de l’eau au marégraphe de Rimouski, Québec.
Matérialisation CGG2013 (NAD83(SCRS)) et ITRF2008 Ajustements régionaux multiples des réseaux au cours des ans; ajustement original en 1928 Ajustement de 1991
Système d'altitude Orthométrique Normal-orthométrique Orthométrique de Helmert
 

Retour en haut

Niveau moyen de la mer (NMM)

Par convention, le niveau moyen de la mer est utilisé depuis des générations comme surface de référence pour l'altitude du terrain. Les référentiels altimétriques régionaux, nationaux et continentaux ont été matérialisés d'après des observations de nivellement géodésiques compensées avec des contraintes au niveau moyen de la mer déterminé d'après des mesures à des marégraphes. De nos jours, les systèmes globaux de géopositionnement satellitaires (GNSS ; p.ex., GPS, GLONASS et éventuellement Galileo) offrent une technique de remplacement pour la détermination de l'altitude. Cependant, ces systèmes mesurent des altitudes géodésiques (ellipsoïdales) qui n'ont ainsi aucun sens physique, c.- à-d. que l'eau pourrait fort bien s'écouler depuis un point plus bas vers un point plus haut par rapport à l'ellipsoïde de référence. C'est pourquoi les altitudes ellipsoïdales (h) doivent être converties en altitudes orthométriques (H) au moyen des ondulations du géoïde (N) : H = h - N. Malheureusement, le géoïde ne coïncide pas parfaitement avec le niveau moyen de la mer, car celui-ci n'est pas une surface équipotentielle (une surface de niveau). La surface moyenne de l'océan présente de petites bosses et de petits creux tout comme la topographie des étendues émergées, mais plus adoucis. À l'échelle du globe, l'altitude de ces bosses et creux varie de –2,0 m à +2,0 m par rapport au géoïde.

L'écart entre le géoïde et niveau moyen de la mer est la Topographie dynamique des océans (SST).  La figure montre la Topographie dynamique des océans pour la région de l’Amérique du nord tel que déterminée par des altitudes géodésiques de la surface de l’océan venant du modèle DTU10 et le modèle du géoïde CGG2013. 

Cette surface équipotentielle acceptée (W0 = 62636856,0m2s-2) par les États-Unis et le Canada se retrouve en dessous du niveau moyen de la mer sur la côte du Pacifique par 17 cm, mais au-dessus du niveau moyen de la mer sur la côte de l'Atlantique par 39 cm. C'est donc dire que le littoral dans la région de Halifax a une élévation négative (H = -0,39 m) alors que Vancouver a une élévation positive (H = 0,17 m).

 

Retour en haut

Conversion: CGVD28 et CGVD2013

L'implantation d'un nouveau référentiel altimétrique au Canada exige l'élaboration de procédures par la conversion des données altimétriques existantes.

Officiellement, l'altitude orthométrique d'un point est déterminée comme suit :

HCGVD2013=hNAD83(CSRS)NNAD83(CSRS),CGG2013

où hNAD83(CSRS) est l'altitude ellipsoïdale et NNAD83(CSRS),CGG2013 est l'ondulation du géoïde.

Même si le CGVD2013 est matérialisé par modélisation du géoïde, les repères altimétriques, dont l'altitude a été déterminée par la méthode du nivellement géodésique au cours des 100 dernières années, se voient attribuer de nouvelles altitudes orthométriques suivant le nouveau référentiel altimétrique par l'exécution d'une nouvelle compensation du réseau de nivellement canadien. Cette compensation est exécutée avec contraintes en une série de stations du Système canadien de contrôle actif (SCCA) du Réseau de base canadien (RBC) et du projet « GPS sur BM » dont les altitudes ellipsoïdales sont connues avec exactitude (exactitude subcentimétrique). Ces contraintes servent à minimiser les erreurs systématiques qui s’accumulent sur de longues distances à l’intérieur du réseau de nivellement canadien. Ces contraintes ne nuisent cependant en rien à la grande précision des différences locales d'élévation.

Ainsi, la conversion des altitudes du CGVD28 au CGVD2013 n'exige généralement que l'ajout d'une valeur constante (β) dans le  cas de projets municipaux:

HCGVD2013=HCGVD28+β

Dans les sections suivantes, nous décrivons les procédures permettant de convertir les altitudes orthométriques normales du CGVD28 en altitudes suivant le CGVD2013 et vice-versa.

GNSS sur des repères de nivellement

Les intervenants peuvent déterminer leur propre conversion en exécutant des levés GNSS précis sur des repères de nivellement dans la région d'intérêt. Il est important que les altitudes ellipsoïdales et les ondulations du géoïde soient exprimées suivant le même cadre de référence. Le cadre de référence (RF) peut être soit le NAD83(SCRS), soit l’ITRF.  Le WGS84 est aligné avec le cadre de référence ITRF.

La conversion (β) peut être déterminée comme suit :

β=(hRFNRF)−HAncien référentiel

où hRF est l'altitude ellipsoïdale observée au moyen du GNSS et NRF est l'ondulation du géoïde interpolée d'après le modèle. L'ancien référentiel peut être le CGVD28 ou tout autre référentiel local.

L'inconvénient de cette approche est la nécessité de recueillir des données sur le terrain. D'autre part, elle permet la conversion la plus exacte des altitudes suivant tout référentiel en altitudes suivant le CGVD2013.

Il est recommandé que les levés GNSS comprennent au moins trois repères de nivellement afin d'assurer la stabilité à l'échelle locale.

Information relative aux repères de nivellement

RNCan diffuse les altitudes des repères de nivellement suivant le CGVD28 et suivant le CGVD2013. Cela permet aux intervenants d'estimer l'écart entre les deux référentiels dans la région d’intérêt. Cette procédure n'exige pas l'exécution de levés GNSS pour la détermination de la conversion locale à appliquer. Cependant, les nouvelles altitudes orthométriques pourraient ne pas refléter les altitudes réelles des repères de nivellement si ceux-ci sont instables.

La conversion peut alors être simplement déterminée comme suit :

β=HCGVD2013HCGVD28

Les intervenants devraient télécharger l'information relative à l'altitude d'un ensemble de repères de nivellement afin de s'assurer que la conversion locale correspond approximativement à un biais. Une conversion planaire (biais et inclinaison) pourrait s'avérer nécessaire dans le cas de plus grandes régions.

Modèle national de conversion des altitudes

Une troisième procédure consiste à utiliser la différence entre le modèle du géoïde gravimétrique  CGG2013 et le modèle du géoïde hybride HTv2.0, qui sont la matérialisation du CGVD2013 et du CGVD28, respectivement.  Cette approche est la plus efficace parce qu'elle n'exige ni travaux sur le terrain, ni téléchargement de valeurs pour un ensemble de repères de nivellement dans la région d'intérêt.  Par contre, la conversion peut de ne pas être précise, particulièrement dans les régions éloignées ou dans les régions où les lignes de nivellement sont éparses.

Les altitudes orthométriques suivant le CGVD2013 peuvent être déterminées comme suit:

HCGVD2013 = HCGVD28 + NHTv2.0 – NCGVD2013

 

Retour en haut

Modélisation du géoïde

Les modèles publics du géoïde pour le Canada

Le solide qui représente le mieux la forme réelle de la Terre n'est ni la sphère ni l'ellipsoïde, mais plutôt le géoïde. Le géoïde est une surface équipotentielle (de niveau) qui représente le mieux, au sens des moindres carrés, le niveau moyen de la mer à l'échelle du globe. La surface du géoïde ne correspond cependant pas parfaitement avec le niveau moyen de la mer parce que, tout comme les étendues émergées, les océans présentent une topographie permanente, bien que celle-ci ne varie que de –2 m à 2 m à l'échelle de la planète. On exprime le géoïde en unités de potentiel, en m2/s2. Ainsi, deux surfaces équipotentielles dont la valeur diffère par 1 m2/s2 présentent un écart géométrique d'environ 0,1 m parce que l'accélération de la pesanteur est d'environ 9,8 m/s2 (0,1 m = 1,0 m2s-2 / 9,8 ms-2 ).

Non seulement le géoïde représente-t-il la forme physique réelle de la Terre, il est en outre une surface de référence pour l'altitude. Une altitude au-dessus du géoïde est appelée altitude orthométrique (H). On ne peut toucher physiquement le géoïde, car c'est après tout un potentiel. Il peut cependant être représenté géométriquement par un modèle fournissant un écart entre le géoïde et un ellipsoïde de référence. Cet écart est appelé ondulation du géoïde (N). L'ondulation du géoïde est positive lorsque le géoïde se situe au-dessus de l'ellipsoïde et elle est négative lorsque le géoïde se situe en dessous de l'ellipsoïde.

Naturellement, l'importance d'une détermination exacte du géoïde s'est accrue en fonction des progrès accomplis en positionnement depuis l'espace (p. ex. avec le GNSS), lequel fournit des altitudes ellipsoïdales. Le modèle du géoïde permet la conversion des altitudes ellipsoïdales (h) en altitudes orthométriques (H): H = h - N.

Au cours des 20 dernières années, Ressources naturelles Canada a publié six (6) modèles du géoïde qui sont résumés dans une série de tableaux sur la page Modèles du géoïde. Ces modèles du géoïde ont été améliorés au fil des ans en perfectionnant la théorie, en exécutant des levés afin de recueillir des données sur de grandes étendues pour lesquelles elles étaient inexistantes, en recueillant davantage de modèles numériques d'élévation (MNE) précis et en intégrant des modèles gravimétriques globaux plus exacts dérivés d'observations satellites et de missions gravimétriques satellites spécialisées. Ces améliorations ont entraîné des modifications importantes de chacun des modèles publiés. Les améliorations apportées à chacun des modèles successivement publiés sont indiquées au tableau 2.

Pour le modèle CGG2013, les composantes de longue longueur d’onde jusqu’au degré 120 (~350 km) sont déterminées entièrement de données gravimétriques venant des missions satellitaires de GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) et de GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer).  Celles-ci proviennent du modèle EIGEN-6C3stat fournit par l’agence allemande GeoForschungsZentrum (GFZ).  Les données gravimétriques terrestres sont intégrées progressivement en combinaison avec les données satellitaires entre les degrés 120 et 180 (~225 km) pour ensuite contribuer entièrement au-delà.

Tableau 2: Récents modèles du géoïde publiés par Ressources naturelles Canada
Modèles Points Min (m) Max (m) Moyenne (m) É. -t. (m)
GSD95-GSD91 428544 -9.230 10.740 0.048 0.706
CGG2000-GSD95 419616 -6.450 3.160 -0.408 0.456
CGG2005-CGG2000 Canada 3637800 -1.663 1.814 -0.276 0.312
Amérique du Nord 9216000 -2.918 2.528 -0.226 0.378
CGG2010-CGG2005 Canada 3637800 -1.014 1.462 0.088 0.088
Amérique du Nord 9216000 -1.818 4.284 0.092 0.124
CGG2013-CGG2010 Canada 2892270 -0.636 0.140 -0.037 0.026
Amérique du Nord 9216000 -1.191 0.221 -0.036 0.028

Validation des modèles du géoïde

La méthode la plus couramment utilisée pour valider les modèles du géoïde consiste à les comparer aux ondulations du géoïde dérivées de mesures GNSS et d'observations de nivellement. Les mesures GNSS fournissent l'altitude ellipsoïdale (h) et les observations de nivellement l'altitude orthométrique (H). La différence entre les deux est l'ondulation du géoïde (N). L'écart ε (= h – H – N) serait égal à zéro si les observations GNSS, de nivellement et le modèle du géoïde étaient exemptes d'erreurs. De plus, le nivellement doit être dans le même système de référence altimétrique que le modèle du géoïde et que les altitudes géodésiques soit dans le même système de référence géométrique que le modèle du géoïde.

Pour la validation des modèles du géoïde, les altitudes orthométriques sont dérivées de la compensation Sep12 du réseau fédéral de nivellement de premier ordre. Il s'agit d'une compensation sous contrainte minimale, la seule station maintenue fixe étant située à Halifax (Nouvelle-Écosse). Le système de référence est la surface géopotentielle (W0=62636856,0m2s-2) (pareille à CGVD2013). Dans l'ensemble, la Sep12 devrait être localement très précise, mais elle comporte toujours des erreurs systématiques d’origine inconnue qui s'accumulent sur de longues distances.  Les erreurs systématiques représentent une déviation standard d’environ 10 cm.

Depuis 1986, RNCan a exécuté des levés GPS à l'emplacement de repères de nivellement d'un bout à l'autre du pays à des fins de valider les modèles du géoïde au Canada. Tous ces levés «GPS sur BM» sont assemblés en une compensation afin de créer le SuperNet. L'exactitude des altitudes ellipsoïdales varie suivant l'époque des observations. Les levés exécutés avant 1994 peuvent ne présenter qu'une exactitude décimétrique alors que la plupart des levés plus récents devraient être d'une exactitude supérieure à 2 cm.

La difficulté que pose cette approche de validation découle du fait que l'écart ε ne permet pas de distinguer les erreurs dans le modèle du géoïde de celles dans les mesures GNSS ou dans les observations de nivellement. De plus, l'écart peut être attribuable à l'instabilité des repères de nivellement, c.-à-d. que les repères peuvent bouger entre les époques du nivellement et des observations GNSS. Il n'est pas rare que les observations GPS aient été effectuées quelque 30 ans après les levés de nivellement.

Le tableau 3 fournit une comparaison des six (6) plus récents modèles du géoïde publiés par RNCan avec un jeu commun de données « GPS sur BM » au Canada. Cette comparaison n'englobe que des repères de nivellement installés dans la partie continentale du pays parce que les réseaux de nivellement à Terre-Neuve, à l'Île-du-Prince-Édouard et sur l'île de Vancouver sont indépendants.

Tableau 3: Comparaison de modèles du géoïde aux observations GNSS sur RN; les altitudes orthométriques obtenues par nivellement sont celles issues de la compensation Sep12 et les altitudes ellipsoïdales proviennent du SuperNet v3.3n
Modèle Points Min (m) Max (m) Moyenne (m) É. -t.(m)
GSD91 2445 -3.486 4.479 -0.794 0.790 (0.695*)
GSD95 2445 -1.524 0.730 -0.693 0.413 (0.144*)
CGG2000 2449 -1.069 0.474 -0.361 0.225 (0.087*)
CGG2005 2449 -0.654 0.420 -0.107 0.140 (0.084*)
CGG2010 2449 -0.737 0.324 -0.193 0.135 (0.074*)
CGG2013 2449 -0.678 0.349 -0.157 0.131 (0.073*)

*: Écart-type après avoir enlevé des erreurs systématiques

Pour les modèles publics du géoïde, la comparaison pourrait au mieux s'avérer une constante, car le système de référence pour ces modèles n'est pas le même que celui de la Sep12, à l’exception du CGG2013. Cependant, on peut observer que l'écart-type des différences a considérablement diminué depuis la matérialisation du GSD91 en 1991, passant de 79,0 cm à 13,5 cm (au niveau de confiance de 66,7%).  Par contre, il sera un défi d’améliorer la déviation standard sachant que le réseau de nivellement a des erreurs systématiques d’environ 10 cm.

 

Retour en haut

Documents

Contactez-nous pour obtenir les versions pdf

Justification

Consultation des intervenants

  • Consultation sur l’élaboration du plan de mise en œuvre de la modernisation du Système canadien de référence altimétrique
  • CCSRG (2006) Rapport au Conseil canadien de géomatique (COCG) sur les résultats (préliminaires) de la consultation concernant la modernisation du système canadien de référence altimétrique

Publications et rapports

  • Les systèmes de référence altimétrique en Amérique du Nord et la pesanteur
  • Référencer et étiqueter l'époque des altitudes au Canada
  • Modernisation du Système de référence altimétrique du Canada : Raison d'être, état d'avancement et mise en oeuvre
  • Un modèle gravimétrique du géoïde pour datum vertical au Canada
  • Démythification du plan de référence altimétrique au Canada : Une étude de cas dans le delta du Mackenzie
  • Champ gravimétrique terrestre et les systèmes d'altitudes (Rapport)
  • Modèle gravimétrique canadien du géoïde (CGG2005)

Autres discussions concernant la modernisation

  • É.U.d'A.
    • Le plan décennal 2007-2017 du US NGS (seulement en anglais) 
    • Mesures de la pesanteur pour la redéfinition du datum vertical américain (GRAV-D) (seulement en anglais)
    • Compte rendu du Sommet géospatial fédéral de 2010 pour l'amélioration du Système national de référence spatiale (seulement en anglais) Obtenir le fichier pdf
  • Nouvelle-Zélande
  • Islande

Références

  • Altitudes
    • Burkholder, E. (2002) Elevations and the Global Spatial Data Model (GSDM).
    • Mäkinen, J. (2004) Some remarks and proposals on the re-definition of the EVRS and EVRF.
    • Meyer, T.H., D.R. Roman, and D.B. Zilkoski (2005) What Does Height Really Mean? Part I: Introduction, Surveying and Land Information Science, Vol. 64, No.4, pp. 223-234.
    • Meyer, T.H., D.R. Roman, and D.B. Zilkoski (2005) What Does Height Really Mean? Part II: Physics and Gravity, Surveying and Land Information Science, Vol. 65, No.1, pp. 5-15.
    • Meyer, T.H., D.R. Roman, and D.B. Zilkoski (2006) What Does Height Really Mean? Part III: Height Systems, Surveying and Land Information Science , Vol. 66, No.2, pp.149-160.
    • Meyer, T.H., D.R. Roman, and D.B. Zilkoski (2006) What Does Height Really Mean? Part IV: GPS Orthometric Heighting, Surveying and Land Information Science, Vol. 66, No.3, pp. 165-183.
    • Smith, D.A. and D.R. Doyle (2006) The Future Role of Geodetic Datums in Control Surveying in the United States, Surveying and Land Information Science, Vol. 66, No.2, pp. 101-106.
  • Référentiel altimétrique mondial
    • Bursa, M., S. Kenyon, J. Kouba, Z. Sima, V. Vatrt, and M. Vojtísková (2004) A Global Vertical Reference Frame Based on Four Regional Vertical Datums, Stud. Geophys. Geod., 48, pp. 493-502.
    • Bursa, M., J. Kouba, V. Vatrt, V. Vítek, and M. Vojtísková (1999) Topex/Poseidon Altimetry and Dynamics of the Ocean-Atmosphere System, Studia geoph. et geod. 44, pp. 1-12.
    • Bursa, M., J. Kouba, M. Kumar, A. Müller, K. Radej, S.A. True, V. Vatrt, and M. Vojtísková (1999) Geoidal Geopotential and World Height System, Studia geoph. et geod. 43, pp. 327-337.
  • Modélisation du géoïde
    • Ellman, A. and P. Vanícek (2007) UNB application of Stokes-Helmert's approach to geoid computation, J. of Geodynamics, 43, pp. 200-213. (lien)
    • Vanícek,P., J. Huang, P. Novak, S.D. Pagiatakis, M. Véronneau, Z. Martinec and W.E. Featherstone (1999) Determination of Boundary Values for the Stokes-Helmert Problem, J. of Geodesy, 73, pp. 180-192.
    • Martinec, Z. (1998) Boundary-Value Problems for Gravimetric Determination of a Precise Geoid, Lectures Notes in Earth Sciences, 73, Springer.
    • Vanícek, P. and Z. Martinec (1994) The Stokes-Helmert Scheme for the Evaluation of a Precise Geoid, Manus. Geod., 19, pp. 119-128.
 

Retour en haut

Glossaire

Termes

Définitions

Surface équipotentielle (W)  : Une surface où le potentiel est constant et qui est en tous points perpendiculaire à la direction dans laquelle s'exerce la pesanteur. Une surface équipotentielle est de niveau, c.-à-d. que l'eau y reste au repos. Il existe un nombre infini de surfaces équipotentielles. Ces surfaces ne se recoupent pas l'une l'autre, mais convergent en direction des pôles. Ainsi, la distance géométrique entre deux surfaces équipotentielles est inférieure aux pôles à ce qu'elle est à l'équateur. Note : Le niveau moyen des mers n'est pas une surface équipotentielle puisque les océans ont une topographie permanente engendrée par les différences de température et de salinité, par les courants, etc. (unités : m2s-2 )

Nombre géopotentiel (C)  : Il exprime la différence de potentiel entre une surface équipotentielle quelconque (Wi) et une surface équipotentielle de référence (W0) suivant la direction du fil à plomb. La surface équipotentielle de référence est habituellement le géoïde ou le référentiel altimétrique. (unités : m2s-2 )

Différence de nombre géopotentiel (ΔC)  : C'est la différence de potentiel entre deux surfaces équipotentielles en deux endroits distincts à la surface de la Terre (Wj2λ2h2Wi1λ1h1)) . La différence de nombre géopotentiel peut être déterminée par nivellement :

ΔCij=(ΔHij+ε)(gi+gj)/2

où ΔHij est la différence instrumentale d'élévation entre les points j et i, g est la pesanteur et ε sont les corrections systématiques appliquées aux mesures de nivellement. (unités : m2s-2)

Géoïde (W0: Surface équipotentielle (de niveau) spécifique définissant au mieux, au sens des moindres carrés, le niveau moyen des mers à l'échelle du globe. C'est la véritable surface de référence (élévation zéro) utilisée pour la mesure de l'altitude. En pratique, le géoïde peut aussi être défini comme étant la surface équipotentielle représentant un référentiel altimétrique national. Par exemple, RNCan utilise la surface équipotentielle 62636856,0 m2s-2) qui représente au mieux le niveau moyen de la mer le long de la côte nord-américaine comme nouveau référentiel altimétrique pour le Canada. (unités: m2s-2 )

Telluroïde : Surface dont le potentiel suivant la normale U est égal au potentiel réel W à la surface de la Terre suivant la normale à l'ellipsoïde. Le telluroïde n'est pas une surface équipotentielle. Il a été proposé par Molodenskii afin d'éviter la complexe détermination de la densité topographique et du gradient vertical de la pesanteur, qui sont des composantes nécessaires en modélisation du géoïde. (unités: m2s-2 )

Quasi-géoïde : Surface parallèle à celle du telluroïde transposée au niveau moyen des mers. Le géoïde et le quasi-géoïde présentent des surfaces qui coïncident approximativement dans les océans. Cependant l'écart entre le quasi-géoïde et le géoïde peut atteindre près d'un mètre dans les Rocheuses canadiennes. (unités : m2s-2 )

Référentiel altimétrique : C'est la surface de référence pour un système altimétrique, c.-à-d. la surface dont l'altitude est égale à zéro. Le référentiel altimétrique n'est pas nécessairement une surface équipotentielle (p. ex. CGVD28, ellipsoïde et telluroïde). Un référentiel altimétrique comprend deux composantes : un système de référence et un cadre de référence. La première est sa définition et la deuxième est sa matérialisation.

Niveau moyen des mers (NMM) : C'est la moyenne arithmétique des élévations du niveau de la mer par rapport à une surface comme le zéro des cartes, l'ellipsoïde ou le géoïde. Il est déterminé d'après des observations horaires pendant un cycle de 19 ans afin d'éliminer, par le calcul d'une moyenne, les niveaux de basses mers et de hautes mers principalement engendrés par l'attraction gravitationnelle du soleil et de la lune. Le niveau moyen de la mer présente de petites bosses et de petits creux par rapport au géoïde. NMM se situe de manière traditionnelle à l'altitude zéro.

Ellipsoïde de référence : Représentation mathématique de la Terre (p. ex. GRS80). Sa surface est définie comme équipotentielle. Un ellipsoïde de révolution équipotentiel est défini d'après quatre constantes :

  • a: demi-grand axe (m)
  • GM: constante gravitationnelle géocentrique (m3s-2)
  • J2: facteur de forme dynamique (relié à l'excentricité de l'ellipsoïde)
  • ω: vitesse angulaire (rad s-1)

Ondulation du géoïde (N) : C'est l'écart entre l'ellipsoïde de référence (p. ex. le GRS80) et le géoïde. Cette distance est mesurée suivant la normale à l'ellipsoïde. Les ondulations du géoïde sont rattachées à un cadre de référence 3-D comme le NAD83(SCRS) ou l'ITRF. La connaissance des ondulations du géoïde permet la conversion des altitudes ellipsoïdales (h) en altitudes orthométriques (H) H = h - N (unités: m).

Anomalie de hauteur (ζ) : C'est l'écart entre le telluroïde et la surface de la Terre ou de l'océan. Elle peut également exprimer l'écart entre l'ellipsoïde et le quasi-géoïde. Les anomalies de hauteur permettent la conversion des altitudes ellipsoïdales (h) en altitudes normales (Hn) d'après Hn=hζ (unités: m).

Altitude orthométrique (H) : C'est l'altitude d'un point au-dessus du géoïde. Elle est mesurée dans la direction du fil à plomb, c'est-à-dire dans la direction de la perpendiculaire aux surfaces équipotentielles. (unités: m)

Altitude normale (Hn: C'est l'altitude d'un point au-dessus du quasi-géoïde ou l'altitude du telluroïde au-dessus de l'ellipsoïde. La différence entre l'altitude normale et l'altitude orthométrique est plus importante en hautes élévations. (unités: m)

Altitude dynamique (Hd: C'est la différence de potentiel entre deux surfaces équipotentielles suivant la direction indiquée par le fil à plomb et mise à l'échelle d'après une valeur constante de la pesanteur. Pour le Canada et les États-Unis, cette valeur constante est la valeur de la pesanteur normale sur l'ellipsoïde à la latitude de 45° ( Υ45° ). Les altitudes dynamiques n'ont aucune signification géométrique. Elles sont principalement utilisées pour la gestion des grands bassins versants (p. ex. des Grands Lacs). La surface d'un lac se trouve à une altitude dynamique constante parce qu'elle est une surface équipotentielle. Puisque les surfaces équipotentielles convergent vers les pôles, la surface d'un lac au point le plus rapproché d'un pôle aura une altitude orthométrique moindre que sa surface à l'extrémité opposée du lac. (unités: m)

Altitude orthométrique normale (Hno) : Cette expression n'est pas appropriée, mais elle est utilisée pour définir le type d'altitudes actuellement disponibles au Canada (CGVD28). Ces altitudes ne sont ni orthométriques ni normales, c.-à-d. qu'elles ne sont pas compatibles avec le géoïde ou le quasi-géoïde. Elles sont déterminées d'après la pesanteur normale, mais sont basées sur la formulation des altitudes orthométriques. L'altitude orthométrique normale est utilisée au Canada parce qu'aucune mesure véritable de la pesanteur n'était disponible au moment de la matérialisation du CGVD28. L'objectif de la compensation de 1928 était la détermination d'altitudes orthométriques les plus exactes possible, ce qui explique pourquoi on les désigne couramment comme étant des altitudes orthométriques. (unités: m)

Altitude ellipsoïdale (h) : Élévation d'un point au-dessus de l'ellipsoïde de référence. Cette distance est mesurée suivant la normale à l'ellipsoïde. (unités: m)

Hauteur de la surface de la mer (SSH) : C'est la distance mesurée suivant la normale à l'ellipsoïde entre la surface de l'océan et l'ellipsoïde. Elle est équivalente à l'altitude de la surface de l'océan au-dessus de l'ellipsoïde. La SSH instantanée peut être observée par altimétrie radar par satellite (p.ex., Topex/Poseidon, ERS-1, Jason, etc). (unités: m)

Topographie de la surface de la mer (SST) : C'est l'écart entre le géoïde et la surface de l'océan. La SST peut être déterminée d'après la hauteur de la surface de la mer (SSH) mesurée par altimétrie radar par satellite et l'ondulation du géoïde (N) : SST = SSH - N . La SST est positive si la surface de l'océan se trouve au-dessus du géoïde. Elle est équivalente à l'altitude orthométrique de la surface de l'océan. (unités: m)

Pesanteur (g) : C'est la force résultant de la combinaison de la force gravitationnelle (masse) et de la force centrifuge (rotation). Globalement, la pesanteur augmente d'environ 9.78 ms-2 à l'équateur à environ 9.83 ms-2 aux pôles. L'altitude et la densité topographique sont les composantes qui influent sur la valeur locale de la pesanteur. (unités: ms-2 ou Gal; 1 ms-2 = 100 Gal = 0,1 kGal = 1x105 mGal)

Pesanteur normale (γ) : C'est une valeur approximative de la pesanteur déterminée d'après les paramètres définissant un ellipsoïde de révolution équipotentiel, p. ex. GRS67, GRS80. (unités: ms-2 ou Gal; 1 ms-2 = 100 Gal = 0,1 kGal = 1x105mGal)

Déviation de la verticale (ξ, η) : C'est l'angle ente la direction indiquée par le fil à plomb et la normale à l'ellipsoïde. Elle comporte deux composantes, une composante nord-sud (ξ) et une composante est-ouest (η). (unités : secondes d'arc)

 

Retour en haut

Foire aux questions

Préoccupations des utilisateurs

  1. Pourquoi un référentiel basé sur le géoïde est-il nécessaire?
  2. Qui a réellement besoin d'un nouveau référentiel altimétrique?
  3. Pourquoi ne pas retarder l'adoption d'un nouveau référentiel altimétrique?
  4. Les altitudes des repères de nivellement doivent-elles être modifiées?
  5. Comment peut-on minimiser la confusion qui résultera de l'existence de deux référentiels altimétriques?
  6. Le référentiel basé sur le géoïde représente-t-il mieux le niveau moyen de la mer que le référentiel CGVD28 basé sur le nivellement?
  7. Comment les altitudes estimées au moyen du GNSS et corrigées en utilisant un modèle du géoïde correspondent-elles avec les altitudes suivant le CGVD28?
  8. Comment pourrai-je valider la précision/l'exactitude de mes altitudes lorsque j'utiliserai une approche GNSS/géoïde?
  9. Est-ce que je peux encore exécuter des levés par nivellement au niveau à bulle et les intégrer au nouveau référentiel altimétrique?
  10. Est-ce que je devrai mettre à jour les altitudes que renferme ma base de données ou qui sont représentées sur mes cartes topographiques?
  11. Comment pourrai-je maintenir la compatibilité entre les levés existants et les nouveaux levés altimétriques?
  12. Comment se nommera le nouveau référentiel altimétrique?
  13. Pourquoi faut-il un nouveau nom pour le référentiel altimétrique?
  14. Le NAVD 88 et le nouveau référentiel altimétrique au Canada coïncideront-ils le long de la frontière?

Modélisation du géoïde / Transformation

  1. Quelle est la précision du référentiel altimétrique basé sur le géoïde?
  2. Comment le modèle du géoïde peut-il être encore amélioré?
  3. Quelle sera la variation en fonction du temps pour une altitude orthométrique mesurée au moyen du GNSS et corrigée d'après un modèle du géoïde (taux de variation de h et taux de variation de N)?
  4. Comment le modèle du géoïde est-il validé?
  5. Sans de nouvelles lignes de nivellement, comment le modèle du géoïde sera-t-il validé à l'avenir?
  6. Quelle sera la fréquence de publication de nouveaux modèles du géoïde?
  7. À quelle matérialisation du cadre de référence 3D réfère le référentiel altimétrique basé sur le géoïde?
  8. Quelle méthode puis-je utiliser pour convertir mes altitudes existantes suivant le CGVD28 en altitudes suivant le nouveau référentiel (ou l'inverse)?
  9. Je suis désorienté par tous ces acronymes : NAD83, NAD83(SCRS), ITRF, CGVD28, NAVD 88, NGVD29, SRIGL85, GSD95, CGG2000, HTv2.0, GEOID03, etc. Quelle est la différence?
  10. Pourquoi l'altitude des repères de nivellement change-t-elle?

Préoccupations des utilisateurs

  1. 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).

    Retour en haut

  2. Qui a réellement besoin d'un nouveau référentiel altimétrique?

    Un grand nombre d'intervenants utilisent déjà le GNSS 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.

    Retour en haut

  3. 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 GNSS qui exigent un référentiel altimétrique exact fondé sur le GNSS d'un bout à l'autre du pays.

    Retour en haut

  4. 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 d’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.

    Retour en haut

  5. 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.

    Retour en haut

  6. 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 continents, 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 long des côtes. Le référentiel basé sur le géoïde se situera cependant près du NMM parce qu'il sera défini comme étant la moyenne des NMM côtiers de l’Amérique du Nord. Le nouveau datum vertical sera quelque 38 cm au-dessus du NMM près d’Halifax et de quelque 17 cm en dessous du NMM près de Vancouver. RNCan diffusera un modèle représentant l’écart entre le géoïde et le NMM le long des côtes canadiennes.

    Retour en haut

  7. Comment les altitudes estimées au moyen du GNSS 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 d’un mètre au sens absolu. Toutefois, les différences d'élévation locales par GNSS et corrigées au moyen du modèle du géoïde concorderont bien avec le CGVD28.

    Retour en haut

  8. Comment pourrai-je valider la précision/l'exactitude de mes altitudes lorsque j'utiliserai une approche GNSS/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 GNSS/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 GNSS. Il faut en outre être prudent quant à la stabilité des repères de nivellement.

    Retour en haut

  9. 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 GNSS dans la région du projet et reprendre les travaux localement par la méthode du nivellement.

    Retour en haut

  10. 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.

    Retour en haut

  11. 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.

    Retour en haut

  12. Comment se nommera le nouveau référentiel altimétrique?

    Le nom du nouveau datum vertical est le Système canadien de référence altimétrique de 2013 (CGVD2013). Le nouveau référentiel altimétrique devrait être identifié de la façon suivante : CGVD2013(CGG2013), où l'acronyme entre parenthèses désigne le modèle du géoïde matérialisant le référentiel altimétrique. Si le modèle du géoïde était mis à jour en 2018, le référentiel serait identifié par l'acronyme CGVD2013(CGG2018).

    Retour en haut

  13. 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 CGVD2013 ne sont pas établis suivant le même système de référence, c.-à-d. qu'ils ne sont pas définis par les mêmes 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 (W0=62636856,0m2s2) représentant conventionnellement le potentiel moyen des NMM le long des côtes de l’Amérique du Nord.

    Retour en haut

  14. Le NAVD 88 et le nouveau référentiel altimétrique au Canada coïncideront-ils le long de la frontière?

    NAVD 88 et CGVD2013 ne coïncideront pas le long de la frontière canado-américaine. NAVD 88 inclut une erreur systématique significative en direction est-ouest, qui 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 CGG2010 indique une différence de 0,55 m seulement.

    Retour en haut

Modélisation du géoïde / Transformation

  1. 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 d’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 GNSS dépendra également de la précision avec laquelle sont déterminées les altitudes ellipsoïdales.

    Retour en haut

  2. 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.

    Retour en haut

  3. Quelle sera la variation en fonction du temps pour une altitude orthométrique mesurée au moyen du GNSS 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 postglaciaire). 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'effet d'un événement radical sur le géoïde est très faible et il est ainsi possible d'effectuer de nouvelles mesures GNSS 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 GNSS différentiel). Cependant, des méthodes GNSS 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'onde du géoïde peuvent varier par approximativement 1 cm tous les dix ans.

    Retour en haut

  4. 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 GNSS 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 GNSS (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 GNSS 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.

    Retour en haut

  5. 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 «GNSS sur RN» ne constituera plus une priorité.

    Retour en haut

  6. 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.

    Retour en haut

  7. 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.

    Retour en haut

  8. 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, vous pouvez effectuer vos propres levés GNSS sur un ensemble de repères altimétriques dans votre région d’intérêt et déterminer l'écart entre les deux référentiels (ε = (h-N)nouveau- Hancien). 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 géodésiques précises suivant le bon cadre de référence. Une deuxième approche consiste à télécharger l'information relative aux repères altimétriques existants dans votre région. Des altitudes seront publiées pour la plupart des repères altimétriques suivant les deux référentiels (CGVD28 et CGVD2013). Enfin, une troisième approche consiste à utiliser l'outil de conversion nationale des altitudes qui prend la forme d'une grille portant les valeurs de l'écart entre le CGVD28 et le CGVD2013 d'un bout à l'autre du Canada. L’écart sera calculé par la différence entre le CGG2013 et le HTv2.0. HTv2.0 est le modèle hybride du géoïde matérialisant le CGVD28. La conversion sera assez précise là où l’on trouve des repères altimétriques. Par contre, la précision de la conversion dégradera où les lignes de nivellement seront éparses ou inexistantes.

    Retour en haut

  9. Je suis déconcerté par tous ces acronymes : NAD83, NAD83(SCRS), ITRF, CGVD28, NAVD 88, 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).

    • 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.
    • Le CGVD28, le NGVD29, le NAVD 88 et le SRIGL85 sont des réseaux altimétriques classiques. Ces réseaux sont matérialisés par nivellement au niveau à bulle. Le CGVD28 est l’ancien référentiel altimétrique utilisé au Canada, remplacé par CGVD2013. Le NGVD29 est l'ancien référentiel altimétrique pour les États-Unis et, en 1993, il a été remplacé par le NAVD 88 qui est une compensation sous contrainte minimale des données de nivellement pour l'Amérique du Nord. Le IGLD85 est un référentiel altimétrique spécial pour la Voie maritime du Saint-Laurent et les Grands Lacs.
    • Le GSD91, le GSD95, le CGG2000, le CGG2005, le CGG2000, le CGG2013, la HTv2.0 et le GEOID12 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 (altitudes au-dessus d'un référentiel altimétrique). Le GSD91, le GSD95, le CGG2000, CGG2005, CGG2010 et le CGG2013 sont des modèles entièrement gravimétriques du géoïde. Chaque nouveau modèle constitue une meilleure représentation du géoïde.   Le CGG2013 est la matérialisation du datum vertical CGVD2013.  La HTv2.0 et le GEOID12 sont des modèles hybrides du géoïde, c.-à-d. qu'ils sont des modèles du géoïde gravimétriques déformés de manière à représenter un référentiel établi par nivellement. La HTv2.0 est une représentation du CGVD28. Les lettres HT représentent l'expression anglaise Height Transformation (transformation des altitudes). Le GEOID12 est une représentation du NAVD 88 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.

    Retour en haut

  10. 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.

    • 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).
    • 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.
    • La Terre n'est pas statique. Elle subit des séismes, des glissements de terrain et des relèvements postglaciaires 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.
 

Retour en haut

Retour à la table des matières