Les plans d'eau de la Terre couvrent plus de 70% de la planète. Parallèlement à la construction de navires qui se déplacent à la surface des océans, il est important d'en apprendre davantage sur le fond marin et la topographie souterraine. Cet objectif est atteint en menant des études sous-marines appelées levés hydrographiques.

Dans cet article, nous examinerons les levés hydrographiques, les différents types de levés et les différents équipements utilisés.

Introduction à l'arpentage

Également connue sous le nom d'arpentage sous-marin, l'hydrographie est la science qui permet de déterminer les caractéristiques d'une zone sous-marine. Les caractéristiques à étudier comprennent la profondeur de l'eau, les caractéristiques topographiques, la mesure des marées, etc. En termes simples, être capable de comprendre les contorsions et les élévations du fond de l'océan a de nombreuses utilisations pratiques.

Un type important de levés hydrographiques est le levé bathymétrique, qui provient des termes grecs bathus (profond) et métron (mesure). C'est l'équivalent sous-marin d'une opération d'arpentage connue sous le nom de hypsométrie.

Contrairement aux levés terrestres qui utilisent des équipements statiques ou fixes pour effectuer des mesures, la bathymétrie implique un navire dynamique qui se déplace tout en effectuant des observations. Par conséquent, des dispositions spéciales doivent être prises pour toute erreur résultant de cette motion. Ce type d'arpentage est traité dans la section suivante.

Le but principal des levés hydrographiques est l'estimation de la profondeur de l'eau, qui est réalisée par des levés bathymétriques. Parmi les autres utilisations les plus courantes des levés hydrographiques figurent la planification des voies navigables, l'analyse du dragage et l'emplacement des épaves.

Une autre application de l'arpentage est la construction et la planification de quais, de ports et de barrages. Il est important de s'assurer que la profondeur de l'eau dans et autour des ports est suffisante pour permettre aux navires d'entrer et d'amarrer en toute sécurité. De plus, la partie du fond marin qui supporte les structures flottantes doit avoir une fondation solide. Les barrages nécessitent également une connaissance adéquate du terrain environnant pour assurer la résistance structurale.

L'arpentage permet aux ingénieurs de planifier les activités de remise en état des terres. En révélant des données sur la composition et la topographie des fonds marins, des sites pour la remise en état peuvent être sélectionnés. De plus, les ingénieurs peuvent déterminer la faisabilité des projets dans la phase de planification elle-même. L'arpentage contribue également aux systèmes de contrôle des inondations, en prévoyant les zones d'inondation possibles et en suggérant des mesures pour y remédier efficacement. Les zones d'inondation peuvent être prédites en étudiant comment le plancher océanique change autour du littoral et en corrélant cette structure avec tout enregistrement historique d'inondations ou de tsunamis.

Une autre application de l'arpentage sous-marin consiste à déterminer les rives qui s'étendent autour d'une côte. La préparation de cartes des lignes côtières est utile pour mener des études sur l'effet des plans d'eau sur terre et pour déterminer la frontière maritime réelle des pays. Les levés déterminent également le niveau moyen de la mer qui joue un rôle très important dans presque tous les domaines de la vie. En aidant le gouvernement à cartographier les côtes, ils affectent également le lancement des navettes spatiales et des fusées.

L'arpentage aide également à la navigation des navires, en fournissant des chemins possibles qu'un navire peut emprunter. Certaines routes océaniques peuvent se trouver à de faibles profondeurs ou peuvent avoir des roches et des dépôts de corail. Cela représente un danger majeur pour les navires et doit donc être enregistré correctement. En cartographiant des itinéraires sûrs qui ne traversent aucun terrain dangereux, l'arpentage aide l'industrie du transport maritime. L'arpentage a également des utilisations agricoles, en déterminant les dépôts alluviaux et limoneux près des plans d'eau. Comme les deltas ont des terres incroyablement fertiles, ces zones peuvent être spécifiquement attribuées à des activités agricoles. De plus, en étudiant le débit des rivières, l'érosion et ses effets sur les terres arables peuvent être étudiés.

L'un des objectifs les plus importants de l'hydrographie se situe dans le domaine du dragage. Le dragage est défini comme l'élimination des mauvaises herbes, de la boue et des roches au fond de la mer. Cela peut être pour la création de voies navigables intérieures pour promouvoir l'industrie du transport maritime. En créant une profondeur suffisante dans les rivières, les petits navires peuvent être utilisés pour compléter le commerce intérieur. Le dragage peut également être effectué pour modifier les modèles de drainage qui affectent l'irrigation, l'érosion, etc. Les levés sous-marins collectent des informations qui sont souvent à la base de l'approbation des projets d'investissement. L'arpentage aide également l'industrie offshore en permettant des contrôles de maintenance à distance sur les structures pétrolières et gazières. Les levés hydrographiques peuvent remplacer les vérifications manuelles, en estimant l'usure de la structure. De même, lors de la pose de pipelines des fonds marins, l'arpentage garantit que les rails des tuyaux sont construits correctement.

Levés bathymétriques

Dans cette section, nous analyserons la bathymétrie et ses principaux graphiques bathymétriques en sortie. Les cartes bathymétriques produisent des courbes de niveau pour montrer le relief relatif du terrain. Ces contours sont également appelés isobathes, indiquant le relief à l'aide de dégradés de couleurs.

La première technique pour mesurer la profondeur de l'océan consistait à abaisser un câble lesté jusqu'à ce qu'il entre en contact avec le fond marin. Cependant, cela prend beaucoup de temps en plus d'être inexact. Ainsi, la technique actuelle consiste à utiliser un sondage en profondeur qui utilise des ondes sonores. Les cartes bathymétriques sont produites en analysant les données des échosondeurs situés sur les navires de recherche. Un faisceau sonore est envoyé vers le fond marin par un transducteur, tandis qu'un récepteur est utilisé pour analyser le faisceau réfléchi. En mesurant le temps nécessaire pour rebondir et en tenant compte des corrections appropriées, la profondeur du lit à ce point particulier peut être mesurée. Les échosondeurs modernes utilisent plusieurs faisceaux étroitement emballés dans un angle de 90⁰ à 170⁰. Il en résulte des graphiques haute résolution et réduit également le temps nécessaire pour cartographier une certaine zone.

Les satellites peuvent également être utilisés pour générer des graphiques bathymétriques, bien que ce soit un processus complexe. La méthode consiste à analyser les fluctuations du niveau de la mer causées par des terrains sous-marins tels que les montagnes et les crêtes. Le niveau de la mer est plus élevé sur les changements de terrain tels que les montagnes et les crêtes, par rapport aux tranchées et aux plaines.

Types d'enquêtes

Il existe cinq principaux types de levés hydrographiques, bien que d'autres sous-ensembles de ces levés soient également utilisés.

Levés hydrographiques généraux se référer aux études de la profondeur de l'eau, du niveau moyen de la mer, de la détermination des côtes et des tracés bathymétriques. Il s'agit du type d'enquête le plus courant. Ces levés ont des applications dans les sciences et les études géologiques.

Levés portuaires et portuaires sont menées pour déterminer les emplacements idéaux pour construire ces structures. Entrepris par les gouvernements nationaux, ils analysent les meilleurs endroits possibles qui n'ont pas de projets de restrictions sur les navires. Par exemple, certains lagons peuvent être entourés de coraux qui empêchent les navires d'approcher du continent. Ces facteurs doivent être pris en compte avant de construire un port. De plus, les supports sous-marins sur lesquels flotte la jetée doivent également être solidement supportés. La boue ou le limon meuble peuvent avoir tendance à secouer cette fondation au fil du temps, et le dragage peut être nécessaire.

Enquêtes de passage sont utilisés pour déterminer l'état des voies navigables intérieures, dans le but de les transformer en passages pour les navires à traverser. Réalisée pour accroître la productivité et le commerce, cette enquête examine l'analyse du tirant d'eau moyen, de la largeur du passage et des restrictions à imposer à la taille des navires. De plus, des études de passage étudient la faisabilité de créer des détroits, similaires au canal de Panama ou de Suez.

Relevés côtiers sont entreprises pour étudier le littoral d'un pays et documenter la flore et la faune vivant à proximité. Cette enquête est généralement entreprise dans les limites maritimes de la nation s'étendant jusqu'à 200 milles marins au-delà de la côte. Ils aident également à étudier un éventuel projet de remise en état des terres.

Enquêtes sur les épaves sont menées pour étudier la position des épaves. Elle peut être menée dans le cadre d'un effort d'enquête pour déterminer la cause probable du naufrage du navire, ou peut-être une partie du processus de sauvetage. Les navires coulent en raison des inondations qui se produisent à travers la coque. Il est viable que des hydrographes expérimentés analysent le site de l'épave. Ils peuvent donner un aperçu des dommages structurels et des raisons possibles des inondations. Pendant les opérations de sauvetage, il est important de s'assurer qu'aucun dommage ne se produit à la fois sur le navire et sur les zones environnantes. Ainsi, en effectuant des tests sur les régions sur lesquelles l'épave se trouve, une méthode viable de sauvetage peut être choisie.

Équipement et technologie utilisés

Les échosondeurs sont une classe de sonars qui ont été examinés dans la section sur les levés bathymétriques. En utilisant des faisceaux sonores et en mesurant le décalage entre l'émission et la réception d'un signal, la profondeur de tout plan d'eau peut être déterminée. Un sondeur hydro-acoustique peut également être utilisé pour surveiller la faune marine.

Les échosondeurs peuvent être mono ou multifaisceaux selon le but. Les levés à faisceau unique sont effectués en passant des faisceaux le long d'itinéraires parallèles, puis en utilisant des approximations pour cartographier les profondeurs aux points adjacents. Cette méthode n'est pas très précise lorsque le fond marin est recouvert d'un matériau peu réfléchissant comme la boue. Les sondeurs multifaisceaux peuvent utiliser n'importe où plus de 100 faisceaux pour effectuer une cartographie simultanée. En utilisant des réflexions sismiques, l'épaisseur de la couche du fond marin peut également être analysée.

Le sonar à balayage latéral est utilisé pour l'image de grandes zones du fond marin en une seule fois. Il est utilisé principalement dans la navigation et la détection de terrains sous-marins dangereux. Un autre appareil est le profil de courant Doppler acoustique (ADCP) qui agit comme un transducteur sonar. Cette machine utilise l'effet doppler du son qui se traduit par des décalages d'ondes. Les faisceaux sonores sont transmis à travers l'eau sous différents angles de sorte qu'il y a une certaine phase dans les faisceaux réfléchis. Cette méthode est couramment utilisée pour étudier les effets du débit sur les canaux et les rivières. La plupart des ADCP sont utilisés pour collecter des données historiques au fil du temps et sont conçus pour rester sous l'eau pendant des périodes prolongées à l'aide de batteries spécialisées.

Un autre appareil couramment utilisé est le LiDAR (détection et télémétrie de la lumière). Le LiDAR utilise des impulsions lumineuses pour analyser le fond d'un fond marin. À l'aide de lasers, une image 3D de la topographie de l'océan peut être rendue. Il est couramment utilisé pour les mesures de dragage et pour positionner correctement les pipelines sous-marins.

Un système de positionnement global (GPS) est utilisé pour déterminer la position précise du bateau sondeur sur lequel l'équipement est chargé. Cela garantit que le navire suit une trajectoire connue sous le nom de ligne de sondage. Les progrès modernes de la technologie GPS ont permis au navire de sondage d'être purement automatisé.

Les autres équipements utilisés comprennent des bouées. Les bouées sont utilisées comme marqueurs pour indiquer la ligne le long de laquelle le sondage doit être effectué. Cette ligne doit être maintenue perpendiculaire au rivage en tout point et est obtenue à l'aide de signaux guidés par laser. En gardant les signaux le long d'une ligne droite, la position de la bouée peut être fixée. Il est ensuite lesté en bas à l'aide de haubans. Les lumières sont généralement utilisées pour s'assurer qu'il est visible même la nuit. De nos jours, les bouées ont été remplacées par la technologie GPS.

Les navires utilisés pour effectuer l'écho-sondage comprennent les petits bateaux gonflables, les véhicules sous-marins autonomes (AUV) et les véhicules sous-marins sans pilote (UUV). Les divers équipements de numérisation peuvent être attachés à l'arrière ou à l'avant du navire. La fixation à la poupe est plus sûre car elle évite d'endommager l'équipement en cas de collision. Dans de tels cas, les scanners peuvent flotter sur des trémies de dragage, puis être remorqués par le navire de sondage. En revanche, la fixation de l'équipement à l'avant est préférable, car elle permet à l'équipage de devancer la topographie environnante. Les AUV et les UUV peuvent produire des cartes et des cartes hydrographiques haute résolution lorsqu'ils opèrent sous l'eau.

Méthodes de levés hydrographiques

Les levés hydrographiques peuvent être effectués en utilisant de nombreuses méthodes selon le type de données obtenues. Nous examinerons trois méthodes pour effectuer des levés sous-marins – levés en ligne et sur poteau, levés par traînée de câbles et levés modernes. Avant toute enquête, une reconnaissance de base de la région environnante est nécessaire. Ce faisant, les géomètres connaissent le type de terrain à prévoir et peuvent calibrer l'équipement en conséquence.

Le levé en ligne et sur poteau était l'un des plus anciens systèmes d'hydrographie utilisés. Cette méthode consistait à immerger une ligne de plomb graduée ou un poteau de sondage dans l'eau. En fonction de la profondeur à laquelle la ligne ou le poteau a atteint le fond, les lectures ont été marquées.

En parcourant des chemins parallèles et en effectuant des relevés continus, une estimation approximative de la topographie sous-marine a pu être obtenue. Comme ce processus nécessitait beaucoup de travail et de temps, il est devenu obsolète avec les progrès de l'écho.

Les échosondeurs sont devenus populaires dans les années 1930 et ont permis à un seul individu d'enregistrer des profondeurs à un rythme rapide. Le principal problème avec cette méthode était que des approximations étaient faites pour la région entre les routes parallèles empruntées par le navire sondeur. Ce problème a été résolu en utilisant des sondeurs multifaisceaux qui ont capturé de larges pans de la surface en une seule passe.

La levée par traînée de fil est une autre vieille méthode de cartographie hydrographique. Développée par Nicholas Heck entre 1906 et 1916, cette méthode repose sur un système de bateaux et de câbles. Dans cette méthode, un fil a été attaché entre les poupe de deux bateaux.

Le fil horizontal comportait en outre des fils verticaux lestés qui étaient maintenus immergés. Une fois la zone à inspecter identifiée, des bouées marqueraient les traces de chaque bateau à suivre. Alors qu'ils se déplaçaient le long de leurs itinéraires, les fils étaient traînés.

Dans le cas où une obstruction rocheuse se lèverait du fond marin, le fil à ce point s'emmêlerait. À mesure que les bateaux s'éloignaient, ce point devenait apparent, en notant un changement brusque dans la direction du fil. Une fois analysé, l'emplacement pourrait être marqué sur des cartes spéciales. Avec l'avènement des appareils à balayage latéral et des sondeurs multifaisceaux, l'arpentage par traînée de fil devient progressivement redondant dans les années 1990.

Les levés modernes utilisent des technologies avancées telles que LiDAR pour cartographier les levés hydrographiques. À l'aide de petites embarcations, l'équipement peut être flotté vers les zones requises pour la cartographie. Parmi les autres équipements couramment utilisés, citons les appareils à balayage latéral, les sondeurs monofaisceau et multifaisceaux.

Parfois, plusieurs appareils sont utilisés simultanément pour garantir l'exactitude des données collectées. En cas de divergence entre les lectures multiples, cette zone particulière peut être remappée. Une fois le sondage terminé, les données collectées sur les différents équipements doivent être traitées.

Étant donné que plusieurs machines peuvent être utilisées pour une zone, les points de données doivent être corrélés pour le levé hydrographique. Ces données sont présentées sous forme de cartes de navigation, de modèles numériques de terrain (DTM), de cartes de volume et de tracés d'isobathe. Les erreurs de tangage, de soulèvement et de lacet doivent également être corrigées à l'aide de méthodes appropriées. Les données sont généralement tracées dans un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) qui peut produire des modèles 3D.

Organisations s'occupant de sondages sous-marins

Les principales organisations s'occupant des relevés sous-marins sont des organismes nationaux et internationaux rattachés aux divers gouvernements. Par exemple, l'Institut national des technologies océaniques (NIOT) en Inde, l'Instituto Hidrografico de la Marina en Espagne et la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) aux États-Unis s'occupent des levés hydrographiques nationaux.

Dans le domaine international, l'Organisation maritime internationale (OMI) supervise les études sous-marines mondiales. L'Organisation hydrographique internationale (OHI), qui comprend 93 pays membres (en 2019), est un traité intergouvernemental concernant les efforts internationaux dans le domaine de l'hydrographie. Il établit des normes à suivre par tous les pays membres. Il vise à encourager l'hydrographie entre les différentes nations en menant des programmes de formation et de certification. Fondé en 1921, il est actuellement présidé par le Secrétaire général, le Dr Mathias Jonas. Le but principal de l'OHI est d'élargir le domaine des normes nautiques et hydrographiques. Puisqu'il est largement suivi, la plupart des organisations attachées à des pays indépendants utilisent également les mêmes normes. L'OHI crée également des commissions hydrographiques régionales pour coordonner les activités nationales de cartographie et de levé. L'OHI maintient même une base sur le continent antarctique.

Souvent, les gouvernements locaux effectuent des levés hydrographiques pour les questions relevant de leur juridiction administrative. Bien que supervisés par des organisations nationales, ils sont menés de manière indépendante à des fins diverses. Il pourrait s'agir de draguer une rivière appartenant à une région réservée ou d'étudier le comportement des plans d'eau à proximité d'une propriété privée.

L'hydrographie participative est un concept qui se propage rapidement. En sensibilisant le grand public, divers organismes scientifiques visent à diffuser des informations sur les avantages de l'hydrographie. Lors de la réalisation de projets financés par le crowdfunding, un grand nombre de navires privés sont utilisés avec des équipements d'écho-sondage. Bien que les bateaux appartiennent à des bénévoles, l'équipement est généralement des plus hauts standards, souvent fourni par des sponsors aisés.

Ces levés sont particulièrement utiles dans les domaines de recherche où des estimations approximatives des paramètres hydrographiques sont suffisantes. Bien que l'équipement puisse être de la plus haute qualité, la formation et les connaissances sur l'utilisation de la machine varient selon les individus. Ainsi, les enquêtes financées par la foule ont tendance à avoir des précisions allant de 4 à 8 pouces de la valeur réelle, ce qui est acceptable dans la plupart des cas.

Enfin, les levés hydrographiques sont souvent menés par des organismes privés. Ils sont entrepris pour des raisons géologiques, pour déterminer les emplacements appropriés pour les structures pétrolières et gazières, pour installer des dispositifs de communication sous-marins et pour des applications militaires. Celles-ci sont généralement entreprises par de grandes entreprises qui possèdent déjà des quais et des navires. Parfois, ils peuvent même embaucher d'autres sociétés pour effectuer leurs levés hydrographiques pour eux.

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