1 Introduction

Dans toute société moderne, il est essentiel d'obtenir avec précision, facilement, rapidement, et au moindre coût possible l'altitude du terrain, des routes, des bâtiments, de l'infrastructure et des ressources au dessus du niveau moyen de la mer. L'actuel système altimétrique au Canada, le Système de référence altimétrique géodésique de 1928 (CGVD28) a été établi par la méthode classique du niveau à bulle et doit être entretenu à des coûts prohibitifs. Il n'est pas compatible avec les technologies modernes basées sur l'utilisation de l'espace (c.-à-d. le GPS) et limite l'utilisation de ces nouvelles technologies permettant des économies. Cette situation étant aggravée par la détérioration de l'infrastructure existante, il est urgent de prendre une décision quant à l'avenir du système.

Le GPS est devenu l'outil de choix pour la composante du positionnement d'un grand nombre d'activités : études environnementales, foresterie et autres applications dans le domaine des ressources, exploration et mise en valeur des ressources pétrolières et gazières, aménagement immobilier et agriculture de précision entre autres. Les utilisateurs du GPS souhaitent obtenir des positions tridimensionnelles suivant le Système canadien de référence spatiale (SCRS) afin d'en assurer la compatibilité avec des données d'autres provenances et pour le respect des exigences réglementaires. L'actuel plan de référence n'offre qu'une couverture restreinte au Canada et n'est pas bien intégré au SCRS ce qui exige de la part des usagers contemporains un effort supplémentaire pour l'obtention d'altitudes respectant le CGVD28. Il se présente une occasion de définir un nouveau plan de référence - qui serait conforme aux normes internationales et permettrait l'implantation de technologies comme celle du GPS entraînant des économies.

2 Technique de Nivellement

La technique du nivellement au niveau à bulle est bien connue et utilisée depuis plus de 200 ans. Des technologies plus nouvelles ont été utilisées, mais aucune n'était applicable à moindre coût. Bien qu'il offre une précision inhérente pour la détermination des différences de hauteur, le nivellement au niveau à bulle est coûteux, chronophage et laborieux. Il exige des mesures de la différence de hauteur entre deux mires graduées verticales éloignées d'approximativement 100 mètres l'une de l'autre, et ce au moyen d'une lunette installée sur un trépied dont l'horizontalité de la ligne de visée est contrôlée à moins d'une seconde d'arc près à l'aide d'un niveau à bulle ou d'un prisme suspendu. Ce processus est répété à " saute-mouton " pour obtenir les différences d'altitude entre les repères de nivellement matérialisant le canevas altimétrique.

2.1 Entretien du Réseau

De 1972 à 2000, presque tout le réseau a été arpenté de nouveau et les travaux de nivellement ont couvert 124 000 km. Jusqu'en 1993, la DLG a exécuté des travaux de nivellement sur 4000 à 5000 km en moyenne par année. Approximativement 65 % (~3000 km) du nivellement était exécuté à des fins d'entretien, tandis que le reste, 35 % (~1500km) des travaux, visait à étendre le réseau. De 1994 à 2000, (à la suite d'un examen des programmes du gouvernement fédéral et des réductions budgétaires associées) la DLG a procédé au nivellement sur 1200 km en moyenne par année, ce nombre diminuant constamment au fil des ans. À toutes fins utiles, aucun levé de nivellement n'a été exécuté depuis l'année 2001.

Si l'on suppose un cycle de 25 ans pour l'entretien du réseau altimétrique, il faudrait effectuer le nivellement sur approximativement 5 600 km par année. À des taux de 250 à 300 $ par km, les coûts de F & E seulement pour arpenter de nouveau seraient de l'ordre de 1,4 M$ à 1,7 M$ par année. En outre, ces coûts ne comprennent pas la réparation ou le remplacement de repères de nivellement endommagés (de 1000 $ à 2500 $ par repère de nivellement selon le type), ni les coûts salariaux liés à la coordination des levés, à la compensation mathématique et, de façon connexe, à la gestion des données. Même un réseau sommaire d'environ 30 000 km proposé comme réseau altimétrique minimal pour le Canada coûterait environ 400 K$ (F & E) par année à entretenir, ce qui pourrait écarter ou retarder les travaux essentiels à l'établissement d'une solution moderne.

2.2 État Physique du Réseau

Compte tenu de l'étendue du réseau et du temps requis pour en effectuer une inspection complète, il est difficile d'évaluer l'état exact du réseau à un moment précis. Il est seulement possible d'extrapoler à partir des statistiques actuellement disponibles dans nos bases de données ou dérivées des plus récentes inspections de petites portions du réseau.

Bien qu'on ne signale un état douteux (endommagé, détruit, introuvable, déplacé ou inaccessible) que pour 5 % des 80 000 repères de nivellement répertoriés dans la base de données de la DLG, on s'attend à ce que l'état du réseau altimétrique soit bien pire encore. Jusqu'en 1996, dans le cadre du programme d'entretien du réseau, la DLG a inspecté de 3000 à 4000 km par année. Ces inspections ont révélé que de 11 % à 22 % des repères de nivellement inspectés étaient inutilisables ou détruits. Si l'on suppose la mise en place d'un cycle d'inspection d'environ 20 ans, on peut extrapoler un taux de dégradation estimé de 16 % sur 20 ans. Dans les milieux urbains ou périurbains, ce taux peut être beaucoup plus élevé. Une inspection systématique de quelque 400 repères de nivellement de premier ordre, établis il y a 25 ans dans le District régional de Vancouver (DRV), a indiqué que 32 % des repères de nivellement étaient soit introuvables, soit inaccessibles, soit détruits. Dans le même sens que ces statistiques, un projet d'été pour étudiants réalisé récemment par le MRN de l'Ontario a révélé un niveau de destruction de 22 % basé sur l'inspection de 110 repères de nivellement choisis au hasard dans six villes et aux environs de celles-ci. Par ailleurs, les dossiers de l'organisme provincial de l'Alberta indiquent que 12 % des repères de nivellement fédéraux contenus dans sa base de données depuis 1988 ont été inspectés et ne signalent la destruction ou un état " anormal " que pour moins de 2,5 % d'entre eux. À l'opposé, l'organisme responsable des levés de la province de Terre-Neuve-et-Labrador estime à environ 2,5 % par année le taux de destruction des repères de nivellement (donnant un taux d'environ 40 % sur 20 ans) en se basant sur le taux de destruction de ses propres bornes de contrôle dans la province (non fondé uniquement sur l'inspection de repères de nivellement).

En résumé, on peut probablement estimer que le taux de dégradation du réseau dans l'ensemble du Canada est de l'ordre de 15 % à 20 % par période de 20 ans. Dans les régions urbaines et périurbaines, le taux de dégradation pourrait atteindre 35 % pour la même période. Dans le contexte de la modernisation du plan de référence, cela signifie qu'une importante partie des réseaux de bornes existants devrait demeurer intacte et permettre une période de transition de quelques décennies. Toutefois, des travaux supplémentaires d'entretien du réseau peuvent s'avérer nécessaires dans certaines régions où des dommages au réseau physique se produisent à un rythme inacceptable pour la réussite de la transition.

2.3 Autres Limites du Réseau

Les altitudes publiées actuellement sont basées sur des observations résultant de levés annuels qui remontent jusqu'à 1904. En dépit du soin apporté à réduire les erreurs possibles, le réseau a été établi pas à pas, année après année, et présente des déformations régionales importantes pour les altitudes publiées actuellement, qui sont en outre influencées par le mouvement de la croûte terrestre. Des comparaisons entre les altitudes publiées actuellement et les récentes compensations scientifiques du réseau ainsi qu'avec le nouveau modèle du géoïde indiquent jusqu'à un mètre de déformation régionale. Alors que la cohérence des altitudes au niveau local (altitudes relatives) permet une précision sub-centimétrique, l'application de nouvelles technologies comme le GPS est entravée par l'incapacité d'obtenir des altitudes ponctuelles exactes, cohérentes avec le plan de référence actuel.

Pour ajouter à la dernière difficulté, les altitudes actuelles publiées sont en outre basées sur un plan de référence qui supposait que les océans Pacifique et Atlantique se trouvaient à la même altitude. En fait, le niveau de l'eau à Vancouver pourrait se situer de 40 à 70 cm plus haut qu'à Halifax. Cet écart donne lieu à une inclinaison à l'échelle nationale, dans les altitudes publiées, qui a des effets importants sur diverses applications scientifiques. De plus, cette situation peut également entraîner des écarts d'altitude le long de la frontière Canada/États-Unis, puisque le gouvernement américain a adopté le système de référence NAVD88.

L'affaissement ou le soulèvement de repères de nivellement individuels sous l'effet du gel ou d'un autre type d'instabilité locale constituent une autre faiblesse du réseau, qui peut influencer considérablement sa précision (ou, de manière équivalente, le niveau de confiance en sa précision) à l'échelle locale. On s'attend à ce que le nombre de rapports signalant occasionnellement de telles incohérences dans le réseau de nivellement augmente à mesure qu'augmente le temps écoulé depuis le dernier entretien.

3 Modélisation du Géoïde

L'approche de remplacement du nivellement au niveau à bulle pour la concrétisation d'un plan de référence est la modélisation du géoïde. Si les deux approches étaient sans erreur, elles permettraient de définir le même plan de référence. Dans le cas du nivellement, le plan de référence est matérialisé en rapport avec la topographie qui constitue une surface instable en raison des effets géodynamiques et de soulèvements ou d'affaissements locaux. Dans le cas de la modélisation du géoïde, le plan de référence est défini en rapport à l'ellipsoïde (p. ex. GRS80). L'écart entre le géoïde (plan de référence) et l'ellipsoïde est l'ondulation du géoïde et est déterminé d'après le champ de la pesanteur terrestre. Un plan de référence défini d'après le géoïde est facilement accessible partout au Canada (dans les terres comme sur l'eau) par les technologies basées sur l'espace comme le GPS et l'altimétrie radar par satellites.

3.1 Adoption d'un Modèle du Géoïde pour le Plan de Référence

Avec l'adoption d'un nouveau plan de référence altimétrique compatible avec les techniques de positionnement depuis l'espace, comme le GPS, on s'attend à une diminution radicale de la dépendance à l'égard d'un réseau dense de bornes au sol. Cette diminution irait de pair avec l'adoption progressive, par le milieu de la géomatique, des nouvelles technologies offrant des améliorations sur les plans de la précision et de l'efficacité.

Dans ce nouveau contexte, RNCan demeurera responsable de l'établissement d'un plan de référence pertinent et viable qui servira de norme, en exécutant la recherche, la surveillance, la R-D, etc. nécessaires et en formulant des recommandations sur les améliorations à apporter. Les principaux outils pour l'obtention d'altitudes cohérentes avec ce plan de référence seront à la disposition des utilisateurs du GPS au moyen d'un fichier de compensations (modèle du géoïde) qui permettra de déterminer directement les hauteurs orthométriques (c.-à-d. au-dessus du " niveau moyen de la mer "). En fait, toutes les positions 3D référencées d'après le NAD83 (SCRS) pourraient être directement converties en altitudes référencées selon ce nouveau plan de référence.

3.2 Canevas Altimétrique Matérialisé du Nouveau Plan de Référence

Le canevas altimétrique d'ordre supérieur matérialisé sera ainsi constitué des points de contrôle actif (PCA) du gouvernement fédéral et des points du Réseau de base canadien (RBC), tandis que RNCan en poursuivra la gestion physique et mathématique. Les points des réseaux de haute précision (RHP) des provinces serviront à sa densification. RNCan continuera la gestion mathématique du réseau altimétrique de premier ordre relativement au nouveau plan de référence rendu possible grâce aux liens existants avec le RBC et les PCA. Une nouvelle compensation d'ensemble pour le réseau sera nécessaire, non seulement pour générer des altitudes en fonction du nouveau plan de référence, mais aussi pour éliminer une grande partie de la déformation résultant de l'approche pas à pas utilisée pour l'élaboration du réseau. Il faut reconnaître, cependant, que le réseau actuel a ses limites et qu'une nouvelle compensation ne permettra pas de relever ou de compenser les bornes qui ont été déplacées au cours des années, ni les changements de la croûte terrestre (soulèvement/affaissement) qui influencent la précision des repères de nivellement individuels.

La disponibilité d'altitudes référencées d'après le nouveau plan de référence pour le réseau existant devrait grandement faciliter la transition à ce nouveau plan de référence. Pour alléger le fardeau éventuel associé à la conversion de l'information en fonction d'un nouveau plan de référence et à titre de mesure incitative, RNCan fera également le calcul et la gestion d'un ensemble de paramètres de conversion (fichier des déplacements des points de quadrillage), ainsi que la gestion des outils logiciels correspondants afin de soutenir la conversion des jeux de données existants référencés d'après le CGVD28.

La DLG reconnaît également que, pendant la période de transition et après, il pourrait y avoir d'autres demandes pour des repères de nivellement matérialisés ou des lignes de nivellement au niveau local. Ces situations devraient être évaluées au cas par cas et, lorsqu'elles sont justifiées, la solution pourrait prendre la forme d'ententes à frais partagés/de collaboration. À cet égard, RNCan visera à conserver son expertise en matière de nivellement de précision.

4 Sommaire

Le Système de référence altimétrique géodésique de 1928 (CGVD28) ne répond pas aux besoins nationaux contemporains en matière de précision. En outre, l'entretien et l'expansion par nivellement du réseau altimétrique sont trop coûteux, chronophages et laborieux. Une nouvelle compensation du réseau altimétrique, similaire au projet NAVD88, ne constituerait qu'une solution temporaire qui, bien qu'offrant une plus grande précision que le CGVD28, ne solutionnerait pas les problèmes de la couverture restreinte et des coûts de l'entretien. La seule solution de remplacement viable à long terme au Canada pour la concrétisation d'un plan de référence est l'utilisation d'un modèle du géoïde. Il permettrait la définition d'un plan de référence en rapport avec l'ellipsoïde, ce qui le rendrait compatible avec les technologies du positionnement basées sur l'utilisation de l'espace (p. ex. GPS et altimétrie radar par satellites). Il offrirait un accès facile aux altitudes au dessus du niveau moyen de la mer sur la totalité du territoire canadien. L'actuel réseau de nivellement de premier ordre ferait l'objet d'une nouvelle compensation utilisant comme contraintes les hauteurs au-dessus de l'ellipsoïde et les ondulations du géoïde en des stations choisies du RBC réparties d'un bout à l'autre du Canada. Le nouveau plan de référence entraînerait des modifications de l'altitude variant entre 0 et 1 mètre sur l'ensemble du Canada. Cependant, localement la précision des différences d'altitude resterait de l'ordre de quelques centimètres ou serait améliorée. Le CGVD28 continuerait de coexister aussi longtemps que nécessaire avec le nouveau plan de référence, mais il disparaîtrait éventuellement, principalement en raison de la détérioration en fonction du temps et de la destruction de la plupart des repères de nivellement.