Systèmes altimétriques

L’altitude (ou hauteur) d’un point se définit comme la distance verticale le séparant d’une surface de référence. Si cette surface est le niveau moyen de la mer (ou le géoïde), on dit de l’altitude qu’elle est orthométrique. Si l’ellipsoïde sert de surface de référence, l’altitude est alors ellipsoïdale ou géodésique. Les altitudes ellipsoïdales sont des quantités géométriques insensibles au potentiel du champ gravitationnel. On les obtient par nivellement trigonométrique ou par GNSS. Par ailleurs, les altitudes orthométriques font référence à une surface équipotentielle appelée géoïde qui s’accorde avec la direction de l’écoulement de l’eau. Les altitudes peuvent être positives ou négatives selon qu’elles se trouvent au-dessus ou au-dessous de leur surface de référence respective.

Le géoïde est la surface fermée et continue la mieux ajustée au niveau moyen de la mer. Il est la surface de référence mondiale de l’altitude orthométrique « zéro ». On calcule les altitudes du géoïde à partir de modèles combinant les données relatives au champ gravitationnel, à la topographie du terrain et à la densité de la masse terrestre. Si on connaît les altitudes géoïdales (ou l’écart entre géoïde et ellipsoïde), il devient possible de transformer les altitudes déterminées par GNSS à leur équivalent orthométrique. L’altimétrie par GNSS peut être une méthode de nivellement plus efficace et rentable pour plusieurs types de levés. Plusieurs récepteurs et logiciels de traitement de données obtenues par GNSS contiennent des modèles de géoïde et offrent des altitudes orthométriques. Par contre, les modèles mondiaux de géoïde ne présentent pas un degré égal d’exactitude, puisque la disponibilité des données de gravité locales et des données altimétriques exactes peuvent grandement varier d’une région du monde à une autre. Ainsi, il faut être particulièrement prudent quand on emploie des modèles de géoïde mondiaux en raison de la variabilité possible de leur exactitude. Comme les écarts entre les altitudes orthométriques et ellipsoïdales peuvent différer jusqu’à une centaine de mètres selon les lieux au Canada, il est d’une extrême importance que les utilisateurs soient conscients de la nature des données altimétriques qui sont mesurées ou fournies.

Depuis 20 ans, RNCan a diffusé six modèles de géoïde pour le Canada. Chacun des nouveaux modèles de géoïde est une représentation plus exacte du véritable géoïde. Des détails sur ces géoïdes sont disponibles à l’adresse suivante: https://webapp.geod.nrcan.gc.ca/geod/data-donnees/geoid.php?locale=fr. Des détails pratiques sur la modélisation par géoïde et les modèles géoïdaux publics sont accessibles à l’adresse suivante: https://www.rncan.gc.ca/sciences-terre/geomatique/systemes-reference-geodesique/9055#_Toc374618876.

Système canadien de référence altimétrique de 1928 (CGVD 28)

Le CGVD 28 a été réalisé en mesurant par nivellement au niveau à bulle les différences d’altitude entre les repères altimétriques répartis sur les routes et chemins de fer du Canada. Pendant près d’un siècle, on a formé et ancré les lignes reliant ces repères altimétriques par rapport au niveau moyen de la mer à quelques marégraphes le long des littoraux atlantique, pacifique et arctique du Canada. La première compensation à l’échelle nationale de toutes les lignes de nivellement a été complétée en 1928. Ce premier réseau a été étendu et densifié jusqu’à la fin du XXe siècle en ajoutant des lignes de nivellement et en les raccordant à la pièce au réseau existant. À l’heure actuelle, le CGVD 28 est accessible à quelque 80 000 repères du réseau altimétrique principal, ainsi qu’à un certain nombre d’autres repères établis par des organismes provinciaux. On constate malheureusement que tous ces repères se répartissent sur moins de la moitié de la masse continentale du Canada. Jusqu’à maintenant, aucun moyen pratique ou économique n’est disponible pour étendre les lignes de nivellement du CGVD 28 vers le Nord canadien et l’Arctique. Tout en favorisant l’adoption du CGVD 2013, RNCan continue à diffuser les altitudes des repères altimétriques du CGVD 28 et du modèle de géoïde hybride HTv2.0 pour faciliter la comparaison des solutions entre les deux systèmes et une transition graduelle vers le nouveau système de référence.

Système canadien de référence altimétrique de 2013 (CGVD 2013)

Le CGVD 2013 est maintenant la nouvelle norme de référence altimétrique au Canada. Il est défini par la surface équipotentielle qui représente le mieux le niveau moyen de la mer le long du littoral nord-américain. Cette nouvelle référence altimétrique est réalisée par le modèle de géoïde CGG 2013 qui donne l’écart entre l’ellipsoïde du GRS 80 et la surface équipotentielle choisie dans le cadre de référence NAD 83 (SCRS).

Contrairement au CGVD 28 qui n’est accessible qu’aux repères altimétriques existants, le CGVD 2013 est disponible partout au Canada, dans l’Arctique et le long des côtes. Les altitudes des repères altimétriques du CGVD 28 sont également diffusées dans le CGVD 2013 à la suite de la compensation de tout le réseau fédéral de nivellement de premier ordre avec des contraintes sur un certain nombre de stations intégrées au RBC. Dans le système altimétrique basé sur le géoïde, on établit maintenant l’altitude orthométrique officielle d’un point en mesurant l’altitude ellipsoïdale avec un GNSS et en appliquant l’altitude du géoïde du CGVD 2013. Puisque les repères ne sont plus actualisés et qu’ils n’ont pas été observés pendant quelques décennies, il est impossible de confirmer leur stabilité et l’exactitude des valeurs altimétriques attribuées. Par conséquent, les valeurs diffusées devraient être utilisées avec prudence et servir avant tout à vérifier la validité de la nouvelle méthode de détermination par GNSS.

Puisque le CGG 2013 est rattaché à NAD 83 (SCRS) et qu’on postule que les altitudes du géoïde sont constantes dans le temps, il est considéré comme un système de référence statique. Il faut néanmoins se reporter à l’époque 2011.0 au moment de transformer les altitudes ellipsoïdales entre les réalisations de l’ITRF 2008 et celles du NAD 83 (SCRS). En règle générale, la précision du CGG 2013 varie de quelques centimètres à un décimètre d’un littoral à l’autre. Quand on travaille dans le CGVD 2013, on peut intégrer harmonieusement au centimètre près les différences altimétriques du GNSS et du nivellement au niveau à bulle à la plupart des échelles spatiales. Pour les levés altimétriques locaux pouvant exiger une précision relative au millimètre, un nivellement au niveau à bulle pourrait demeurer nécessaire et, dans ce cas, les GNSS serviraient uniquement à se relier à la référence du CGVD 2013.

Des renseignements supplémentaires sur les systèmes de référence altimétrique sont accessibles à l’adresse suivante: http://www.rncan.gc.ca/sciences-terre/geomatique/systemes-reference-geodesique/9055. Une procédure pour convertir les altitudes entre le CGVD 28 et le CGVD 2013 est décrite à l’adresse suivante: https://www.rncan.gc.ca/sciences-terre/geomatique/systemes-reference-geodesique/9055#_Toc374618875.

Système de référence international des Grands Lacs de 1985 (IGLD 85)

L’IGLD 85 est un système régional de référence altimétrique conçu spécifiquement pour la voie navigable du Saint-Laurent et la région des Grands Lacs. L’IGLD85 diffère des versions CGVD parce qu’il emploie des altitudes dynamiques plutôt qu’orthométriques. L’usage d’altitudes dynamiques est approprié lorsqu’on doit travailler avec des niveaux d’eau pour un grand secteur géographique, car il faut tenir compte du fait que la distance verticale entre des surfaces équipotentielles distinctes n’est pas constante en tout point. L’IGLD 85 repose sur l’ajustement de 1988 du Système nord-américain de référence altimétrique (NAVD 88)* et a pour point d’origine la valeur altimétrique adoptée pour le marégraphe de Rimouski, Québec. L’IGLD85 représente le niveau moyen de l’eau à une série de marégraphes principaux placés dans les Grands Lacs. Des renseignements supplémentaires sur l’IGLD 85 et le NAVD 88 sont accessibles à l’adresse suivante : https://www.ngs.noaa.gov/TOOLS/IGLD85/igld85.shtml (en anglais seulement). La conversion des altitudes entre l’IGLD 85 et le NAVD 88 et vice versa est possible à l’aide d’un programme utilitaire disponible à l’adresse suivante: https://www.ngs.noaa.gov/cgi-bin/IGLD85/IGLD85.prl (en anglais seulement). Les altitudes de l’IGLD 85 aux repères altimétriques canadiens sont disponibles en contactant RNCan.

* Le NAVD 88 a été adopté en 1993 comme système officiel de référence altimétrique dans le Système national de référence spatiale pour l’Alaska et la partie continentale des États-Unis. C’est un système de référence défini par le niveau moyen de l’eau au marégraphe de Rimouski, Québec, et propagé à l’intérieur des terres par des mesures de nivellement géodésique. Les données de référence altimétrique sont accessibles par l’entremise de repères altimétriques. Les altitudes en terme  du NAVD 88 sont orthométriques de Helmert. Bien que le Canada n’a pas adopté le NAVD 88, les altitudes de ce système sont disponibles pour un sous-ensemble de stations du réseau de nivellement canadien.