Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg

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Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg Mémoire de soutenance de Diplôme d'Ingénieur INSA Spécialité TOPOGRAPHIE Evolution récente du glacier du Miage : étude diachronique par balayage laser terrestre. Contribution à l'axe de recherche nivo-glaciaire du laboratoire EDYTEM Présenté en septembre 2011 par Charles GRANGE Réalisé au sein du laboratoire : EDYTEM-Pôle Montagne Université de Savoie/CNRS 73373 Le Bourget-du-Lac Directeur de PFE : Correcteurs : M. VILLEMIN Thierry M. GRUSSENMEYER Pierre Professeur des universités M. ALBY Emmanuel

  • enseignant chercheur en grade professeur

  • consolidation des nuages de points

  • source d'erreurs

  • outil de comparaison best-fit

  • axe de recherche nivo

  • evolution récente du glacier du miage


Publié le : jeudi 1 septembre 2011
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Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg
Mémoire de soutenance de Diplôme d’Ingénieur INSA
Spécialité TOPOGRAPHIE
Evolution récente du glacier du Miage : étude
diachronique par balayage laser terrestre.
Contribution à l’axe de recherche nivo-glaciaire
du laboratoire EDYTEM
Présenté en septembre 2011 par Charles GRANGE
Réalisé au sein du laboratoire : EDYTEM-Pôle Montagne
Université de Savoie/CNRS73373 Le Bourget-du-Lac
Directeur de PFE : Correcteurs :
M. VILLEMIN Thierry M. GRUSSENMEYER PierreProfesseur des universités ALBY EmmanuelRemerciements
Je remercie M. Thierry VILLEMIN, Professeur et directeur de mon projet de fn
d’étude, pour son encadrement, ses connaissances scientifques et l’autonomie qu’il m’a accor -
dée dans mon travail. M. Jean-Jacques DELANNOY, Professeur et directeur du laboratoire,
pour m’avoir accueilli au sein de son établissement. Je tiens aussi à remercier M. Stéphane
JAILLET, ingénieur recherche CNRS, qui a été l’investigateur de ce projet de fn d’étude
en rédigeant la proposition du sujet. Avec M. Philip DELINE, maître de conférence, je vous
remercie des directives précieuses données durant ce travail et des journées de terrains passées
ensemble. Je remercie également Mme Estelle PLOYON, ingénieur d’étude CNRS, pour la
pertinence de nos échanges scientifques et techniques, et le temps qu’elle m’a accordé. Merci
à vous tous pour l’aide à la publication de mon premier article dans la collection EDYTEM.
J’adresse mes remerciements à M. Vincent BLANC, pour son soutien informatique qui
m’a permis de travailler dans des conditions optimales au sein du laboratoire ; à Mme Char-
lotte FORAY et Mme Carole POGGIO, secrétariat, qui ont contribué au bon déroulement de
mon stage. Je remercie M. André PAILLET, pour son accueil chaleureux, ses conseils Illus-
trator et son aide à la mise en page de l’article ! Merci à M. Ludovic RAVANEL, pour m’avoir
emmené à plusieurs reprises en altitude et à notre amitié créée.
Je tiens également à remercier l’ensemble des doctorants et des stagiaires, avec qui
j’ai passé d’agréables moments en partageant nos expériences et nos connaissances sur nos
domaines respectifs.
Je remercie M. Giordano TEZA, Professeur de l’université de Padova, Italie, pour
sa gentillesse et sa rapidité de réponse pour l’envoie de l’algorithme PAM et M. Mouhcine
CHAMI, Enseignant Chercheur en grade Professeur Assistant à l’INPT de Rabat pour l’envoi
d’un logiciel d’ajustement de surface à partir d’un nuage de points.
J’adresse fnalement mes remerciements à l’ensemble du laboratoire EDYTEM qui m’a
très bien accueilli et qui m’a permis de réaliser ce projet dans des conditions très agréables.Sommaire
1. Introduction 61.1.Le laboratoire EDYTEM 61.2.Objectif du projet 71.3.Démarches mises en oeuvre 8
2.Le retrait glaciaire 92.1.Fonctionnement d’un glacier 102.2.Le bilan de masse 11
2.3. Méthodes de mesures 13
2.4. Modélisation 14
2.5. Conclusion 16
3. Etat de l’art 17
3.1. Le scanner laser terrestre 17
3.1.1. Principe et fondamentaux 17
3.1.2. Sources d’erreurs 183.1.3.Conclusion 21
3.2. Consolidation basée sur les nuages de points 22
3.2.1. La méthode Iterative Closest Point (ICP) 22
3.2.2. Autres algorithmes 23
3.2.3.Erreurs de consolidation en milieu naturel 243.2.4. Conclusion 25
4. Caractéristiques des données acquises (2003-2010) 26
4.1. Le glacier du Miage 26
4.2. Mode opératoire 28
4.3. Qualité des données acquises 30
4.4. Conclusion 34
5. Consolidation des nuages de points 35
5.1. Le Best-Fit d’IMAlign sous Polyworks 35
5.2. Analyse du Best-Fit 36
5.2.1. Données du processus et histogrammes 37
5.2.2. Outil de comparaison Best-Fit 40
5.2.3. Discussion et conclusion 44
5.3. Résultats de la consolidation des modèles 45
6. Référencement de l’ensemble des scènes 48
6.1. Consolidation par rapport à 2010 48
6.2. Recherche de l’horizontale des modèles 49
6.3. Orientation du Nord 52
6.4. Conclusion 527. Rendus cartographiques, contrôles et interprétations 53
7.1. Cartographie en courbes de niveaux 53
7.1.1. Méthode 1: Surfer 53
7.1.2. Méthode 2: 3D Reshaper et Surfer 56
7.1.3. Conclusion 60
7.2. Pr oflstopographiques 60
7.2.1. Méthode 1 : A partir des nuages de points 60
7.2.2. Méthode 2 : A des maillages 61
7.2.3. Comparaisons des méthodes 62
7.3. Cartes de déplacements et de vitesses 63
7.3.1. Pointé manuel de blocs rocheux 63
7.3.2. L’outil Best-Fit de Polyworks 66
7.3.3. L’algorithme PAM 66
7.4. Contrôle des résultats 67
7.4.1. Courbes de niveaux 67
7.4.2. Cartes de vitesses du glacier 68
7.5. Evolution récente du glacier du Miage 68
7.6. Conclusion 69
8. Conclusion 70
Table des illustrations 72
Bibliographie761. Introduction
1.1. Le laboratoire EDYTEM

Ce Projet de Fin d’Etude a été réalisé au sein du laboratoire EDYTEM (Environnements
DYnamiques et Territoire de la Montagne), sur le campus scientifque du Bourget du Lac en
Savoie. Le laboratoire est une Unité Mixte de Recherche (UMR) rattachée à l’Institut National
Ecologie et Environnement (INEE) du CNRS et travaille sur l’axe prioritaire « Montagne » de
l’Université de Savoie. Les recherches du laboratoire portent sur l’étude des environnements de
montagne en déroulant trois axes transversaux de recherche : (i) les systèmes nivo-glaciaires ;
(ii) les systèmes hydrothermo-minéraux ; (iii) les systèmes et milieux karstiques.
Afn de favoriser l’organisation des recherches interdisciplinaires, trois équipes struc -
turent le laboratoire (Figure 1). L’équipe I, Archives environnementales des milieux de mon-
tagne, a pour objectifs de déchiffrer les archives naturelles, de reconstituer les évolutions
environnementales des milieux de montagne et de défnir le rôle des héritages géologiques,
géomorphologiques et anthropiques dans les évolutions de l’environnement. L’équipe II, Dyna-
miques actuelles des milieux de montagne, évalue les risques en montagne, étudie la dyna-
mique des versants et des parois de haute-montagne et appréhende les impacts des changements
environnementaux sur les ressources en eau et les aléas. Enfn, l’équipe III, Ressources patri -
moniales, vulnérabilités et recomposition des territoires de montagne, défnit des critères d’éva -
luation patrimoniale, évalue les modes d’appropriation des patrimoines de montagne, ainsi que
les vulnérabilités et fragilités territoriales.
L’acquisition et le traitement des données s’effectuent par le biais de trois plateformes
technologiques : Caractérisation des matériaux, Métrologie de terrain, Cartographie, Topogra-
phie et Imagerie 3D (CTI3D). Ces plateformes reposent sur les moyens propres du laboratoire
EDYTEM et les moyens de l’UFR CISM et du site du Bourget du Lac.
Dans le cadre du programme « Investissements d’avenir » lancé par le gouvernement,
l’action « Laboratoire d’Excellence » (Labex) du programme « Pôles d’Excellence » vise à do-
ter des laboratoires sélectionnés, à visibilité internationale, de moyens signifcatifs leur permet -
tant de faire jeu égal avec leurs homologues étrangers, d’attirer des chercheurs et enseignants
chercheurs de renommée internationale et de construire une politique intégrée de recherche,
de formation et de valorisation de haut niveau. Le projet ITEM (Innovation et TErritoires de
Montagne), porté par René Favier, professeur d’histoire et vice-président chargé de la recherche
à l’UPMF compte parmi les cent dossiers retenus dans le cadre de l’appel à projet national.
Le coordonnateur est assisté d’un groupe de pilotage de trois personnes : Anne-Marie Gra-
net-Abisset (laboratoire LARHRA), Jean-Jacques Delannoy (laboratoire EDYTEM) et Emma-
nuelle Marcelpoil (Cemagref, équipe DTM). Ce projet propose le développement d’un pôle de
référence et d’expertise en Sciences Humaines et Sociales (SHS) sur les enjeux de la montagne
et des processus d’innovation liés à son développement, en inscrivant une réfexion à long
terme. D’autres projets, auxquels le laboratoire EDYTEM collabore ont été déposés, comme les
Initiatives d’Excellence (IDEX), avec Grenoble Alpes Université de l’Innovation (GUI+), afn
d’aider Grenoble s.l. à devenir une référence mondiale dans les domaines de l’enseignement
supérieur et de la recherche. Enfn, notons également le rôle moteur du laboratoire au sein de
l’Appel à projet Equipements d’Excellence (EQUIPEX), avec CEMBRO (Changements Envi-
ronnementaux et Biodiversité : Rétro-observation et Observation), ainsi qu’au sein du Disposi-
tif Incitatif Partenarial en Ecologie et Environnement (DIPEE) ayant pour objectif d’initier des
collaborations scientifques à l’échelle régionale.
PFE GRANGE - 2011 - Page 6 | 81 Le projet dans lequel se place le travail que j’ai effectué au sein du laboratoire EDYTEM,
contribue à l’axe de recherche nivo-glaciaire dans le cadre des travaux de l’équipe II en lien
avec la plateforme CTI3D. Etudier l’évolution du glacier du Miage sur sa marge latérale droite
a pour objectif de répondre aux questionnements liés au réchauffement climatique, de com-
prendre les interactions glacier/lac, afn de mieux appréhender les risques naturels et leurs
conséquences sociales, économiques et environnementales.
Equipe I Equipe II Equipe III
Archives environnementales Dynamiques actuelles Ressources patrimoniales,
des milieux de montagne des environnements vulnérabilités et recomposition
de montagne des territoires de montagne
Systèmes nivo-glaciaires
Systèmes hydrothermo-minéraux
Systèmes et milieux karstiques
Figure 1 - Présentation des équipes et des trois axes transversaux organisant
les recherches interdisciplinaires au sein du laboratoire.
1.2. Objectif du projet
Les risques en montagne, inhérent aux aléas naturels, résultent de processus potentiel-
lement dommageables tels que : des avalanches, des chutes de séracs, des vidanges de lac, des
éboulements rocheux ou des glissements de terrains. C’est pourquoi, à ce jour, de nombreuses
études en milieux montagnards ont été réalisées sur ces objets naturels de types glacier, parois
rocheuses ou rivières. Les mouvements d’eau, de glace, de débris rocheux sont étudiés sur les
évènements passés pour mieux appréhender les évènements futurs, et ainsi permettre une meil-
leure gestion des risques naturels en montagne.
Le phénomène du recul des glaciers, accéléré par les activités humaines, est un véri-
table indicateur du réchauffement climatique. Dans ce contexte, de nombreux lacs en position
supra-, juxta- ou proglaciaire se forment au contact des glaciers. Des vidanges brutales de ces
lacs peuvent provoquer des pertes humaines ou des destructions importantes. Les conséquences
peuvent être dramatiques, comme en 1892 avec la rupture d’une poche d’eau intraglaciaire
dans le glacier de la Tête-Rousse à Saint-Gervais, en Haute-Savoie. A l’époque, une coulée de
boue avait fait 175 victimes. La menace est présente encore aujourd’hui, puisqu’en 2010, des
opérations de pompage ont été effectuées sur ce même site. Ainsi, il est primordial d’étudier les
dynamiques glaciaires afn de prévoir quels en seront les impacts économiques (ressource en
eau, tourisme) et les effets induits sur les risques naturels (chute de séracs, ruptures de poches
d’eau ou de barrages glaciaires).
Pour cela, de nombreux travaux ont été réalisés sur les glaciers afn de déterminer quanti -
tativement leurs avancées ou reculs, leurs vitesses d’écoulement et leurs variations de surface et
de volume, sur des périodes plus ou moins longues. Les techniques de levés topographiques les
plus couramment utilisées pour ce type d’objet naturel sont la topométrie de précision (Blanc,
2003), la photogrammétrie terrestre et aérienne (Maas et al., 2006 ; Kaufmann et Ladstädter,
2008 ; Fallourd et al., 2010 ; Blanc, 2003 ; Socuro, 2008), l’interférométrie radar (Koehl et al.,
2009 ; et al., 2011), le GPS et l’analyse de photos aériennes (Lambiel, 2009), et enfn
le LIDAR aéroportée et terrestre (Hopkinson et Demuth, 2006 ; Schwalbe et al., 2008).
PFE GRANGE - 2011 - Page 7 | 81
3 axes
transversaux1.3. Démarches mises en oeuvre
Cette étude se base sur une acquisition par LIDAR terrestre, plus communément appe-
lée Scanner Laser Terrestre (SLT). Cette technologie, utilisée depuis des années pour des études
géologiques et géomorphologiques, a permis la concrétisation de nombreux travaux scienti-
fques dans le cadre de milieux naturels. Cependant, le besoin d’évaluer la précision de ces don -
nées, sur des objets naturels, s’est fait ressentir depuis quelques temps. On cherche désormais
à connaître précisément le seuil minimal de détection des déplacements et également à mieux
estimer l’incertitude des volumes, des surfaces ou des vitesses calculées. De plus, la représen-
tation de l’évolution de ces objets 3D n’est pas toujours facile à traduire en carte. On est alors
confronté, notamment dans les publications scientifques, à revenir à des rendus graphiques en
deux dimensions, afn de favoriser l’interprétation de l’auteur et la compréhension des lecteurs.
Dans le cadre des travaux de recherches entrepris sur le Massif du Mont-Blanc, des
levés au scanner laser Optech ILRIS 3D longue portée ont été effectués entre juillet 2003 et
juin 2010 au lac du Miage (Val d’Aoste, Italie), par une équipe mixte d’Imageo et du laboratoire
EDYTEM. Le glacier du Miage, l’un des principaux glaciers noirs des Alpes, permet, grâce à
sa couverture détritique, l’utilisation de la technique par balayage laser terrestre.

En vue d’une analyse diachronique de la falaise de glace, l’étude se penche sur la pré-
cision de construction des modèles 3D en relevant les impacts dus à la complexité et à l’irré-
gularité des surfaces, l’humidité sur les parois de glace, la présence de masques dus à des blocs
rocheux pluri-métriques et la technique retenue basée sur la consolidation par Best-Fit. Les
nuages de points 3D ont été traités et consolidés en utilisant plus particulièrement le module
IMAlign du logiciel Polyworks. L’algorithme de consolidation nommé Best-Fit a été notam-
ment analysé par une série de tests afn de connaitre ses capacités intrinsèques et d’évaluer la
pertinence et la précision de la construction des modèles 3D.
En gardant toujours une optique quantitative de précision, et dans le but d’évaluer l’évo-
lution géomorphologique du glacier, l’exploitation des nuages de points, puis des maillages, a
conduit à des rendus graphiques 2D avec une cartographie des vitesses de déplacement et de la
morphologie de la falaise de glace (profls topographiques, courbes de niveaux). Des méthodes
cartographiques ont également été développées et comparées. La perturbation du système gla-
cier/lac introduite par la vidange rapide du lac du Miage en septembre 2004, a contribué a une
interprétation des cartes intéressantes du point de vue des interactions glace/eau, à travers une
falaise de glace dynamique et très évolutive au fl des années.
Ce mémoire débute avec un cadrage général de l’étude sur le retrait glaciaire en appor-
tant quelques notions de base en glaciologie. Une revue de la littérature scientifque centrée sur
le scanner laser terrestre et la consolidation de nuages de points sont ensuite présentés. Ceci
est suivi par une présentation du site d’étude et de la qualité des données mises à disposition.
Ensuite, une phase de traitement des données est détaillée avec une étape de consolidation et de
référencement des modèles. Finalement, une présentation des résultats et une comparaison des
méthodes permettront une interprétation, après contrôle, de l’évolution du glacier du Miage sur
sa marge latérale droite.
PFE GRANGE - 2011 - Page 8 | 812. Le retrait glaciaire
Depuis 1967, une mise en corrélation entre l’histoire du climat et les glaciers a vu le jour
et a fait grandir un intérêt tout particulier pour la glaciologie, qui était considérée au préalable
par certains, comme une « fausse science » (Vivian, 2005).
Depuis la fn du Petit Âge Glaciaire (PAG ; XIVème - XIXème siècle), une décrue
glaciaire générale a pu être observée sur l’ensemble des glaciers mondiaux, notamment durant
le XXème siècle (Francou et Vincent, 2007). Par rapport aux surfaces maximales respectives
des glaciers obtenues lors de la période du PAG, la surface des glaciers a diminué de 30 à 40 %
dans les Alpes Suisse, 50 % dans les Pyrénées ou au Tien Shan (Chine) et même quelquefois
jusqu’à 80 % et davantage dans certains massifs montagnes des tropiques. Cependant, certains
glaciers de Nouvelle Zélande ou de Scandinavie présentent des exceptions avec dans leur cas,
une avancée des glaciers due à une augmentation des précipitations en hiver. Les décrues sont
bien entendu non régulières et non linéaires, ce qui fait de la glaciologie, une discipline com-
plexe. En effet, l’évolution des glaciers est caractérisée par des périodes stables, où le glacier
récupère partiellement du volume, par des périodes avec avancées signifcatives puis de retraits
rapides, qui laissent apparaitre le recul net des glaciers observé sur ces 30 dernières années.
Le mécanisme de fonctionnement des glaciers est complexe car on peut visualiser des
changements d’allures rapides au fl des années, tels que la couleur, la forme ou l’épaisseur.
Concernant la région d’étude, ici les Alpes, on a pu observer ces variations périodiques avec
une avancée des glaciers entre 1925-1930, un recul dans les années 1940, puis une ré-avancée
dans les années 1960-1970 et enfn une nouvelle régression après 1980.
Le phénomène de recul ou d’avancée des glaciers est en adéquation avec l’évolution du
climat. A défaut d’une station météorologique qui nous donnerait les mesures de température,
de pression, d’humidité, de vitesse et de direction du vent, le glacier regroupe ces variables pour
nous donner des informations quantitatives de variation de longueurs, de surfaces, de volumes,
d’épaisseurs ou de vitesses d’écoulement. L’interprétation de ces signaux en termes clima-
tiques nous offre ainsi des informations sur le climat passé, actuel et futur, en nous renseignant
par exemple sur les causes et conséquences du réchauffement climatique global de la planète.
Etudier le phénomène est d’actualité et concerne le grand public car les conséquences ne sont
pas négligeables. Nous pouvons citer : (i) les problèmes de ressources en eau avec un manque
d’eau potable, une irrigation agricole plus faible, une baisse des ressources en hydroélectricité
(ii) les risques naturels comme les inondations avec la rupture des poches d’eau glaciaires ou
les vidanges brutales des lacs glaciaires, les avalanches de séracs...
Nous verrons dans ce chapitre le fonctionnement des glaciers et les origines du phéno-
mène de recul, les méthodes de mesure employées pour observer les paramètres nécessaires aux
analyses glaciologiques et enfn les prévisions obtenues par la modélisation.
PFE GRANGE - 2011 - Page 9 | 812.1. Fonctionnement d’un glacier
Un glacier évolue par le jeu combiné de l’accumulation, processus par lequel le glacier
gagne de la masse (localisée en partie haute), et de l’ablation, par un
perd de la masse (localisée en partie basse). Il prend naissance dans un bassin d’alimentation,
zone où l’accumulation est supérieure à l’ablation. Cette accumulation réside en grande partie
par les précipitations solides (chutes de neige, grêle et grésil) et aussi, à échelle moins grande,
par les avalanches, la neige déposée par le vent, la formation de givre... La neige de l’hiver doit
subsister au moins un été pour s’appeler névé et ainsi permettre la formation de glace par tasse-
ment des couches annuelles successives. La métamorphose de la neige en glace s’effectue par
deux types de phénomènes : (i) une transformation mécanique avec, sous l’effet du vent et de
la chute des focons, la brisure des branches des cristaux de neige (ii) une transformation ther -
modynamique, due aux échanges de chaleur à l’intérieur du manteau neigeux, qui accélèrent
le processus en passant par de nombreux changements de phases : la sublimation (état solide
à gazeux), la condensation (gazeux à liquide), la fusion (solide à liquide), le regel (liquide à
solide). Dans les Alpes, au-dessus de 3600 mètres d’altitude, il faut entre 5 et 20 ans pour trans-
former la neige en glace ; au centre de l’Antarctique, il faut près de 2000 ans.
La neige et la glace accumulées sur plusieurs années se déplacent lentement sur le lit ro-
cheux sous l’effet de leurs poids, en épousant la forme de la vallée. Un glacier s’écoule, comme
un feuve, suivant les lignes de plus grande pente, en étant plus rapide sur les parties pentues et
plus lent dans les coudes ou aux bords dans la vallée. La vitesse d’écoulement est donc irrégu-
lière tout le long du glacier et de surcroit, plus grande en surface qu’en profondeur. Elle dépend
de plusieurs paramètres dont : (i) les conditions de température suivant que le glacier est froid
(température négative) ou tempéré (0°C), (ii) l’épaisseur de glace car plus le poids est élevé,
plus l’écoulement est rapide, (iii) la pente et la pression d’eau au contact du lit rocheux puisque
le frottement est plus faible à cet endroit.
Plus bas sur le glacier, la zone d’ablation apparait, c’est-à-dire que l’on a une perte de
masse du glacier. La neige de l’hiver ou de la saison humide disparaît, mais la fonte estivale
entame également la glace.
La Figure 2 localise schématiquement les principaux éléments énoncés précédemment.
Figure 2 - Illustration du système glaciaire alpin, tiré du site internet de
Pierre-André BOURQUE et l’université de Laval.
PFE GRANGE - 2011 - Page 10 | 81

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