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Guide sur les référentiels géodésiques et altimétriques au Québec Juin 2010 Min

Guide sur les référentiels géodésiques et altimétriques au Québec Juin 2010 Ministère des Ressources naturelles et de la Faune Réalisation Ministère des Ressources naturelles et de la Faune Direction de la référence géodésique Yves Thériault, M. Sc. 5700, 4e Avenue Ouest, bureau E-304 Québec (Québec) G1H 6R1 Téléphone : 418 627-6281 Télécopieur : 418 646-9424 Courriel : information.geographique@mrnf.gouv.qc.ca Site Internet : www.mrnf.gouv.qc.ca Diffusion Cette publication est conçue pour une impression recto-verso. La reproduction des textes n’est autorisée qu’à des fins d’enseignement, avec mention de la source. © Gouvernement du Québec, 2010 Ministère des Ressources naturelles et de la Faune Dépôt légal – Bibliothèque et Archives nationales du Québec, 2010 ISBN 978-2-550-60399-3 (pdf) Note au lecteur Les techniques de mesure et les connaissances dans le domaine des sciences géodésiques évoluent de plus en plus rapidement tout en s’influençant mutuellement. En fonction de cela, certains passages de ce guide peuvent devenir désuets à plus ou moins longue échéance. Ce document présente l’état des référentiels géodésiques et altimétriques qui ont cours au Québec en avril 2010. Le niveau de détail de ce document varie en fonction du besoin. La présentation et la description des différents sujets abordés essaient, dans la mesure du possible, de rester d’ordre général. Parfois, certains concepts doivent être introduits. Par exemple, il est nécessaire d’expliquer le rôle des surfaces équipotentielles dans le référentiel altimétrique pour bien faire comprendre les inexactitudes du CGVD28. Ce guide ne décrit en détail aucune technique de mesure et de calcul utilisée pour l’établissement de points géodésiques ou de repères altimétriques. Le lecteur désirant acquérir plus de connaissances dans ce domaine peut consulter d’excellents ouvrages et sites Internet. Les références utilisées pour la production de cet ouvrage peuvent servir de point de départ. Guide sur les référentiels géodésiques et altimétriques au Québec iii Table des matières NOTE AU LECTEUR ................................................................................................................... I TABLE DES MATIÈRES ............................................................................................................ III LISTE DES TABLEAUX ............................................................................................................ V LISTE DES FIGURES .............................................................................................................. VII LISTE DES SIGLES ET ACRONYMES .................................................................................... IX 1 INTRODUCTION .................................................................................................................. 1 2 LA TERRE ............................................................................................................................ 3 2.1 MOUVEMENTS HORIZONTAUX ............................................................................................ 4 2.2 MOUVEMENTS VERTICAUX ................................................................................................ 5 2.3 MOUVEMENTS GLOBAUX ................................................................................................... 6 3 LES SYSTÈMES DE COORDONNÉES ............................................................................... 9 4 LES RÉFÉRENTIELS GÉODÉSIQUES CLASSIQUES ...................................................... 11 5 LES RÉFÉRENTIELS GÉODÉSIQUES MODERNES ........................................................ 15 5.1 SYSTÈMES DE RÉFÉRENCE TERRESTRES GLOBAUX .......................................................... 15 5.1.1 ITRS ....................................................................................................................................... 17 5.1.2 WGS84 .................................................................................................................................. 20 5.2 SYSTÈMES DE RÉFÉRENCE TERRESTRES RÉGIONAUX ....................................................... 22 5.2.1 NAD83 ................................................................................................................................... 22 5.2.1.1 NAD83 (1986) ................................................................................................................. 23 5.2.1.2 NAD83 (SCRS) ............................................................................................................... 26 5.2.1.3 Lien ITRF — NAD83 (SCRS) ......................................................................................... 29 5.2.1.4 Évolution du NAD83 (SCRS) .......................................................................................... 33 5.2.2 NAD83 et WGS84 .................................................................................................................. 36 5.3 CALCUL GPS ................................................................................................................. 37 5.3.1 Positionnement absolu .......................................................................................................... 37 5.3.2 Positionnement relatif ............................................................................................................ 40 5.3.3 Applications en ligne .............................................................................................................. 42 5.3.4 Mise en contexte pour les positions ...................................................................................... 43 5.3.5 Mise en contexte pour les vecteurs ....................................................................................... 47 6 LES RÉFÉRENTIELS ALTIMÉTRIQUES ........................................................................... 51 6.1 SURFACE DE RÉFÉRENCE ............................................................................................... 51 6.2 NIVELLEMENT ................................................................................................................ 54 6.3 SYSTÈME DE RÉFÉRENCE ALTIMÉTRIQUE ......................................................................... 56 Table des matières iv Guide sur les référentiels géodésiques et altimétriques au Québec 6.3.1 Niveau moyen de la mer ........................................................................................................ 57 6.3.2 CGVD28 ................................................................................................................................. 60 6.3.2.1 Principales erreurs dans le CGVD28 ............................................................................. 63 6.3.2.2 Limites du CGVD28 ........................................................................................................ 64 6.3.3 Infrastructure altimétrique ...................................................................................................... 65 6.4 MODÈLE DE GÉOÏDE ....................................................................................................... 67 6.4.1 Géoïde hybride ...................................................................................................................... 70 6.5 CALCUL D’ALTITUDES CGVD28 ....................................................................................... 72 6.5.1 Analyses métriques ............................................................................................................... 73 7 LES RÉFÉRENTIELS DE DEMAIN .................................................................................... 79 BIBLIOGRAPHIE ...................................................................................................................... 81 ANNEXE A ITRF2005 .............................................................................................................. 87 ANNEXE B VERSIONS DU NAD83 (SCRS) ............................................................................ 89 ANNEXE C CGVD28 : DÉCRET 630 DU 11 MARS 1935 ........................................................ 91 Guide sur les référentiels géodésiques et altimétriques au Québec v Liste des tableaux Tableau 1 : Vitesse de déplacement............................................................................................ 6 Tableau 2 : Ellipsoïdes WGS84 et GRS80 ................................................................................ 21 Tableau 3 : D’ITRF90 à WGS84 (Doppler) ................................................................................ 21 Tableau 4 : Évolution de la structure WGS84 ............................................................................ 21 Tableau 5 : Paramètres de transformation ................................................................................. 24 Tableau 6 : Infrastructure classique au Québec ........................................................................ 25 Tableau 7 : Critères de classement (m) de l’infrastructure classique ......................................... 25 Tableau 8 : Infrastructure NAD83 (SCRS) au Québec ............................................................... 28 Tableau 9 : Critères de classement NAD83 (SCRS) .................................................................. 29 Tableau 10 : Paramètres de transformation ITRF96 (1997.0)  NAD83 (SCRS) ...................... 30 Tableau 11 : Paramètres de rotation NNR-NUVEL-1A .............................................................. 30 Tableau 12 : Paramètres de transformation ITRF2005  NAD83 (SCRS) ................................ 32 Tableau 13 : Versions de NAD83 (SCRS) ................................................................................. 34 Tableau 14 : Évolution des versions NAD83 (SCRS) à Kuujjuarapik ......................................... 35 Tableau 15 : Déviation standard des versions NAD83 (SCRS) à Kuujjuarapik .......................... 35 Tableau 16 : Structure de référence de l’IGS ............................................................................. 40 Tableau 17 : Positions NAD83 (SCRS) à LPOC ........................................................................ 44 Tableau 18 : Positions NAD83 (SCRS) à VALD ........................................................................ 44 Tableau 19 : Position moyenne des versions 2, 3 et 3.1 ............................................................ 44 Tableau 20 : Différences pour NAD83 (SCRS) moyen .............................................................. 45 Tableau 21 : Positions ITRF à LPOC ......................................................................................... 45 Tableau 22 : Positions ITRF à VALD ......................................................................................... 46 Tableau 23 : Différences pour ITRF96 (1997.0) ........................................................................ 46 Tableau 24 : Différence entre ITRF2005 (2008.25) et PPP (2008.25) ....................................... 47 Tableau 25 : Différence entre NAD83 (SCRS) et ITRF .............................................................. 47 Tableau 26 : Vecteurs sud-nord : ITRF2005 (2008.25)  NAD83 (SCRS) ................................ 48 Tableau 27 : Vecteurs ouest-est : ITRF2005 (2008.25)  NAD83 (SCRS) ................................ 48 Tableau 28 : Infrastructure altimétrique au Québec ................................................................... 66 Tableau 29 : Critères de classement (m) de l’infrastructure altimétrique .................................... 66 Tableau 30 : EGM96, CGG2000 et CGG2005 ........................................................................... 69 Tableau 31 : Altitudes (h, H) et différence d’altitudes pour quatre repères ................................. 74 Tableau 32 : CGG2000 et CGG2005 : ITRF et NAD83 (SCRS) ................................................ 74 Liste des tableaux vi Guide sur les référentiels géodésiques et altimétriques au Québec Tableau 33 : CGG2000 et CGG2005 : Différence avec N83-28 .................................................... 74 Tableau 34 : HT2.0 – Région Rivière-du-Loup .......................................................................... 75 Tableau 35 : Altitudes h et H et différence d’altitudes pour huit repères .................................... 75 Tableau 36 : HT2.0 – Région Kuujjuarapik ................................................................................ 76 Tableau 37 : Transformation d’altitudes avec un biais ............................................................... 77 Tableau 38 : Transformation d’altitudes avec un plan ................................................................ 77 Tableau 39 : Différence d’altitudes (H) CGVD28 – Futur SCRA .............................................. 80 Guide sur les référentiels géodésiques et altimétriques au Québec vii Liste des figures Figure 1 : La structure de la terre ................................................................................................ 3 Figure 2 : Les forces influentes .................................................................................................... 3 Figure 3 : Les principales plaques tectoniques ............................................................................ 4 Figure 4 : L’équilibre isostatique .................................................................................................. 5 Figure 5 : Le rebond postglaciaire ............................................................................................... 5 Figure 6 : Affaissement en Californie ........................................................................................... 6 Figure 7 : Baie-Comeau .............................................................................................................. 7 Figure 8 : Kuujjuarapik................................................................................................................. 7 Figure 9 : Schefferville ................................................................................................................. 7 Figure 10 : Val-d’Or ..................................................................................................................... 7 Figure 11 : Les coordonnées cartésiennes et géodésiques ......................................................... 9 Figure 12 : L’ellipsoïde et le géoïde ............................................................................................. 9 Figure 13 : Époque d’origine 1997.0 .......................................................................................... 16 Figure 14 : Époque d’observation 2008.4 .................................................................................. 16 Figure 15 : Retour à l’époque 1997.0 ........................................................................................ 16 Figure 16 : Réseau des stations ITRF ....................................................................................... 19 Figure 17 : Plaque nord-américaine au 1983-12-31 ................................................................... 22 Figure 18 : Plaque nord-américaine au 2007-12-31 ................................................................... 22 Figure 19 : Rotation des systèmes ............................................................................................ 24 Figure 20 : Système canadien de contrôle actif ......................................................................... 27 Figure 21 : Réseau de base canadien ....................................................................................... 27 Figure 22 : Erreurs en position dans le NAD83 (1986)............................................................... 28 Figure 23 : Stations VLBI dans le NAD83 .................................................................................. 30 Figure 24 : Liens entre NAD83 (SCRS) et les ITRF ................................................................... 32 Figure 25 : CBN-2 et CBN-4 ...................................................................................................... 35 Figure 26 : Différence entre NAD83 et WGS84 ......................................................................... 36 Figure 27 : Positionnement absolu ............................................................................................ 38 Figure 28 : Réseau de stations de poursuite mondial ................................................................ 38 Figure 29 : Réseau de stations de poursuite nord-américain ..................................................... 39 Figure 30 : Positionnement relatif .............................................................................................. 41 Figure 31 : Pesanteur et surface de niveau ............................................................................... 51 Figure 32 : Surfaces équipotentielles ......................................................................................... 52 Liste des figures viii Guide sur les référentiels géodésiques et altimétriques au Québec Figure 33 : Convergence des surfaces équipotentielles............................................................. 54 Figure 34 : Nivellement et surfaces équipotentielles .................................................................. 55 Figure 35 : Altimétrie satellitaire ................................................................................................ 57 Figure 36 : Topographie de la surface de la mer ....................................................................... 58 Figure 37 : Niveau moyen de la mer .......................................................................................... 58 Figure 38 : Niveau moyen de la mer et un marégraphe ............................................................. 59 Figure 39 : Niveau moyen de la mer et un marégraphe plus une constante .............................. 59 Figure 40 : Niveau moyen de la mer et trois marégraphes ........................................................ 60 Figure 41 : Nivellement de 1928 ................................................................................................ 61 Figure 42 : CGVD28 et les surfaces équipotentielles ................................................................. 63 Figure 43 : Rehaussement relatif de l’eau à Halifax ................................................................... 65 Figure 44 : Le réseau primaire canadien ................................................................................... 66 Figure 45 : Ondulation du géoïde .............................................................................................. 67 Figure 46 : Géoïde et ellipsoïdes ............................................................................................... 68 Figure 47 : Géoïde mondial EGM96 .......................................................................................... 68 Figure 48 : Géoïde canadien CGG2005 .................................................................................... 69 Figure 49 : NAD83 (SCRS), uploads/Geographie/ guide-sur-les-referentiels.pdf