Ce système d’informations environnementales a été développé au sein de l’Unité mixte de recherche HydroSciences Montpellier. Cette unité mixte a pour tutelles le CNRS, l’IRD et les universités de Montpellier 1 et 2 La thématique majeure d’HydroSciences Montpellier est articulée autour de l’étude des impacts climatiques et anthropiques sur les hydrosystèmes méditerranéens et tropicaux. Les thèmes principaux étant « l’eau dans l’environnement et les risques asscociés », « l’eau ressource mobilisable et exploitable » et « l’eau et la variabilité du climat » FIG 2007

Au sein de l’unité mixte de recherche HydroSciences Montpellier, le groupe Vahyne intervient dans la thématique « l’eau et la variabilité du climat » et plus précisément a pour objectif d’étudier l’impact ce la variabilité climatique sur les ressources en eau, et ce à l’échelle régionale. Le programme s’intéresse, non pas aux origines de cette variabilité mais aux impacts induits sur les ressources en eau et sur les modifications qu’elle entraîne sur la relation pluie/débit. Cette étude nécessite la prise en compte de différents éléments structurants du milieu comme les types de sols, la végétation, la géologie. D’où la nécessité de disposer d’une base de connaissances environnementales sur la zone d’étude. Le développement de SIEREM (Système d’Informations Environnementales sur les Ressources en Eau et leur Modélisation) répond à ce besoin. FIG 2007

Les données hydroclimatiques Superficie : le continent africain Pluie : 768 630 années sur 7 063 postes Débits : 28 008 années pour 1 153 stations Météo : 51 177 années pour 623 stations Un des objectifs lors de la création de système d’informations était de récupérer et réunir les données disponibles sur l’ensemble de la sous-région en gris sur la carte ici (Afrique de l’Ouest et Centrale au début du projet). De faire un inventaire de ces données et de fournir des inventaires et des outils de récupération et de manipulation des données aux chercheurs modélisateurs du groupe. La base de données chronologiques compte à la mi septembre 2007 Plus de 750 000 années d’observations de pluies Plus de 50 000 années d’observations météo : vent, température, rayonnement, humidité relative Plus de 25 000 années d’observation de débit Tout cela sur une période commençant pour certaines stations au début du XXème siècle jusqu’en 2003. FIG 2007

La modélisation conceptuelle des données chronologiques ENDROIT COURS D'EAU NATURE DES DONNEES UNITE Latitude:réel Longitude:réel Altitude: réel nom() pérenne() Ordre() nom() agrégation() nom() usage() nombre de décimale() SERIE CHRONOLOGIQUE PAS DE TEMPS < -se jette dans STATION DE MESURE nom() nom() valeur() Nom : string se trouve dans -> La méthode d’analyse de construction de ce système d’information est la méthode Pollen, héritée de la méthode d’analyse OMT (Object Modelling Technique). Elle permet la gestion des informations localisées dans l’espace, Des informations localisées dans le temps, Des types de données nombreux et complexes Des métadonnées associées aux données. Les relations entre les types de données traitées sont modélisées dans leur définition, dans leurs traitements et dans leur identification. TYPE DE STATION PERSONNE SOURCE DONNEES nom() PAYS nom() téléphone fax url e-mail adresse nom() description() nom() FIG 2007

La modélisation - Les données Spatiales(1) Aire Ligne Point BASSIN VERSANT Station hydrométrique() Séries de débits A_BASSIN VERSANT L_CHEVELU P_ENDROIT ENDROIT Latitude() Longitude() Altitude() L_COURS D EAU La gestion des données spatiales était le plus qui nous intéressait dans le développement de ce système d’information. En effet, nous savions depuis bon nombre d’années gérer les données chronologiques, ce n’était pas le cas pour les données spatiales. Les données spatiales sont gérées dans le shéma général d’organisation des données comme des entités opaques qui ne sont reconnues qu’en tant que point, ligne ou surface, suivant le type de donnée représentée. Une station sera un point, un cours d’eau une ligne et un bassin versant comme une aire. Sachant qu’un lien d’intégrité va exister entre ces différentes entités, un point station sera sur une ligne cours d’eau et drainera une superficie bassin. Le bassin versant sera la superficie drainée à la station sera donc associé à une valeur de débit, mais il sera aussi un ensemble de mailles du modèle hydrologique, chaque maille (ou portion de maille) aura une valeur de quantité d’eau infiltrée, la totalité de ces valeur dans la superficie du bassin donnera la quantité d’eau interceptée à chaque valeur de pluie. Cette surface pourra aussi avoir des valeurs de type de végétation interceptant la pluie par exemple. Et chaque type de végétation pourra être indexé d’une valeur de croissance de la végétation suivant la période de l’année. COURS D EAU nom() pérenne() Ordre() Séries de débits est inclus dans -> se jette dans -> FIG 2007

La modélisation - Les données Spatiales(2) Aire Aire Instant GRILLE A_U.Pedologie Valeur en XY(p:point):entier A_U.Vegetation U.Pedologie U. Vegetation valeur() Donc cette valeur de superficie drainée à un point station de mesure va prendre diverses valeurs, que ce soit des types de sols, des types de végétation, des mailles d’une grille de pluie, des valeurs d’altitude via le modèle numérique de terrain associé. MNT GTOPO30 valeur() Pedologie Vegetation FIG 2007

La modélisation - Le diagramme d’objet général   La modélisation - Le diagramme d’objet général ENDROIT Latitude:réel Longitude:réel Altitude: réel COURS D'EAU nom() pérenne() Ordre() STATION DE MESURE Nom : string < -se jète dans PAYS TYPE DE STATION se trouve dans -> PHOTOGRAPHIE Fichier photo: string Auteur:string Commentaire:text INSTANT NATURE DES DONNEES UNITE SERIE CHRONOLOGIQUE PAS DE TEMPS PERSONNE agregation() nombre de decimale() usage() valeur() SOURCE DONNEES description() telephone fax url e-mail adresse MESURE Point Aire A_PAYS L_COURS D EAU BASSIN VERSANT A_BASSIN VERSANT est inclus dans -> P_ENDROIT A_U.Pedologie U.Pedologie Pedologie A_U.Geologie U.Geologie Geologie A_U.Vegetation U. Vegetation Vegetation Valeur en XY(p:point):entier GRILLE MNT GTOPO30 Date : DateTime L_CHEVELU Ligne Voici le classique diagramme d’objet général que je ne vous détaillerai pas ici. Apparaissent en gris les données spatiales qui sont autant de classes opaques dans ce diagramme. FIG 2007

Modélisation des traitements Le modèle fonctionnel calculer direction d'écoulement MNT GTOPO30 fichier ArcVIEW Monographie Diagramme de flot de données du traitement des contours de bassin versant Cartes comparer les sources Fichiers chevelu rivière Le modèle fonctionnel Description des services que doit rendre le système Diagrammes à flots de données Le dictionnaire des fonctions Description de l'ensemble des services de haut niveau que le système doit rendre aux utilisateurs Description détaillée Ici, le flot de données du traitement du tracé des bassins hydrographique. Nous avons la donnée très en amont qui est un modèle numérique de terrain duquel peut être calculé une grille de direction d’écoulement, puis une grille d’accumulation d’écoulement qui permet de déterminer une superficie drainée à un point donné. Mais quand le modèle numérique de terrain n’est pas suffisamment « fin » ou que le relief ne permet pas au programme de définir des lignes de pente, il est nécessaire de se référer à la bibliographie existante. Le tracé du chevelu des rivières est essentiel pour déterminer les lignes de partage existant sur le terrain. Tout cela concoure à la définition des contours de bassins versants. fichier choisi renseigner tables attributaires fichier ArcVIEW exporter tables attributaires des bassins Fichiers contour BV FIG 2007

La norme ISO 19115 C’est la norme ISO définissant les métadonnées géographiques. Toutes nos données sont à cette norme. Elle permet une interopérabilité avec toute base de données adhérant à cette norme. Toutes les données traitées dans le système d’information sont géoréférencées, qu’il s’agisse de points de mesure de pluie, de débit, de prélèvement de type de sol. La norme ISO définissant les métadonnées géographiques est la norme 19115, toutes les données traitées dans SIEREM sont à cette norme ce qui permet un interopérabilité avec toute base à cette norme. FIG 2007

Moyens mis en œuvre Équipe de développement six agents IRD J.F. Boyer - Chef de projet B. Marieu – Ingénieur-Hydrologue C. Bouessay – Ingénieur CSN C. Dieulin –Ingénieur SIG N. Rouché – Technicienne - Hydrologie A. Cres – Technicienne - Informatique Depuis 1999: 4 ingénieurs et techniciens en CDD et vacation. Stages : stagiaires DESS, élèves ingénieurs. Nous avons été un certain nombre à participer au développement de ce SIE. FIG 2007

La Base de données hydroclimatiques Et voici le diagramme d’objet adopté pour le développement de la base de données FIG 2007

Le logiciel client ORION Ce système d’information comprend deux volets distincts, l’un gérant les données chronologiques, l’autre gérant les métadonnées et les données spatialisées. Les données chronologiques proviennent de la base de données développée par les hydrologues de l’IRD (ex Orstom) qui ont géré pendant de longues années les réseaux hydrographiques en Afrique de l’Ouest et Centrale. Sont venues s’ajouter à ces données relativement anciennes, des données collectées au cours de programmes de recherche en Afrique (comme le programme Iccare) et des collaborations avec le réseau FRIEND. Ces données sont la propriété des pays et nous n’avons pas vocation de les diffuser. Pour la gestion de ces données (utilisées par notre programme de recherche), nous avons développé un logiciel client nommé ORION qui permet aux chercheurs d’extraire sous forme de paniers les données afférentes à un bassin par exemple, c’est-à-dire sur un critère géographique d’un rectangle d’emprise, soit sur un critère de période, soit toutes les stations d’un pays… La base de données hydroclimatiques est gérée sur SQL Serveur et Orion permet l’interrogation de cette base L’accès est sécurisé et chaque utilisateur est enregistré avec des droits spécifiques. FIG 2007

Principales fenêtres d’ORION. Orion permet également de produire des inventaires sous forme de tableaux ou de graphiques. Et surtout, il est possible d’extraire les données sous forme de fichiers ASCII pour d’autres applications. En plus d’Orion, une plateforme permet aux modélisateurs du groupe d’extraire les données aux formats définis en entrée du modèle pluie/débits FIG 2007

La base de données spatialisées 3 volets particulièrement intéressants parce qu’inédits : — Le réseau hydrographique numérique hiérarchisé sur toute l’Afrique de l’Ouest et Centrale, — Les tracés de bassins versants sur près de 400 points de mesure, — Une grille de capacité en eau des sols sur tous les tracés de bassins, Il y a dans cette base de données trois volets avec des données assez nouveaux dans le paysage de l’Afrique de l’Ouest et Centrale : Le réseau hydrographique Les tracés de bassins versants sur près de 400 points de mesure Le calcul d’une valeur que nous avons appelé capacité en eau des sols, traduction littérale de Water Holding Capacity Trois produits que je vais vous détailler maintenant FIG 2007

Le réseau hydrographique Le réseau de départ provient des données .dnl du Digital Chart of the World. Sur ce chevelu, j’ai agrégé les différents segments de ligne constituant une rivière, chaque rivière est une seule ligne allant de la source à la confluence avec une autre rivière ou à l’embouchure d’un fleuve. Chaque bassin est une « couche » SIG, dans cette couche, j’ai alimenté la table attributaire pour chaque cours d’eau. Pour ce faire j’ai utilisé quand j’ai pu en disposer, les cartes au 1/200 000, à défaut j’ai utilisé un atlas général. La table attributaire contient : Le nom du cours d’eau, Un code pour ce cours d’eau réduit à 5 caractères alphanumérique, ce code est indexé, donc unique; Un code de bassin hydrographique, Un ordre d’affluence dans le bassin, Un code de pérennité, Et le code du cours d’eau récepteur permet de relier les points exutoires de la base de données chronologique au cours d’eau sur lesquelles elles sont situées. Vous pouvez voir sur la diapositive ici le bassin de la Volta. FIG 2007

Le réseau hydrographique Le réseau de départ provient des données .dnl du Digital Chart of the World. Sur ce chevelu, j’ai agrégé les différents segments de ligne constituant une rivière, chaque rivière est une seule ligne allant de la source à la confluence avec une autre rivière ou à l’embouchure d’un fleuve. Chaque bassin est une « couche » SIG, dans cette couche, j’ai alimenté la table attributaire pour chaque cours d’eau. Pour ce faire j’ai utilisé quand j’ai pu en disposer, les cartes au 1/200 000, à défaut j’ai utilisé un atlas général. La table attributaire contient : Le nom du cours d’eau, Un code pour ce cours d’eau réduit à 5 caractères alphanumérique, ce code est indexé, donc unique; Un code de bassin hydrographique, Un ordre d’affluence dans le bassin, Un code de pérennité, Et le code du cours d’eau récepteur permet de relier les points exutoires de la base de données chronologique au cours d’eau sur lesquelles elles sont situées. Vous pouvez voir sur la diapositive ici le bassin de la Volta. FIG 2007

Le réseau hydrographique Le réseau de départ provient des données .dnl du Digital Chart of the World. Sur ce chevelu, j’ai agrégé les différents segments de ligne constituant une rivière, chaque rivière est une seule ligne allant de la source à la confluence avec une autre rivière ou à l’embouchure d’un fleuve. Chaque bassin est une « couche » SIG, dans cette couche, j’ai alimenté la table attributaire pour chaque cours d’eau. Pour ce faire j’ai utilisé quand j’ai pu en disposer, les cartes au 1/200 000, à défaut j’ai utilisé un atlas général. La table attributaire contient : Le nom du cours d’eau, Un code pour ce cours d’eau réduit à 5 caractères alphanumérique, ce code est indexé, donc unique; Un code de bassin hydrographique, Un ordre d’affluence dans le bassin, Un code de pérennité, Et le code du cours d’eau récepteur permet de relier les points exutoires de la base de données chronologique au cours d’eau sur lesquelles elles sont situées. Vous pouvez voir sur la diapositive ici le bassin de la Volta. FIG 2007

Le réseau traité dans SIEREM sur la partie Ouest et Centrale de l’Afrique Sur cette carte, se trouvent la zone sur laquelle j’ai géré le réseau hydrographique tel que je viens de le décrire. D’autres cours d’eau ont été traités depuis sur l’Afrique de l’Est et du Sud. Dans l’organisation de la base de données géographiques de SIEREM, chaque bassin a été individualisé dans son traitement et fait l’objet d’une « couche » cartographique. FIG 2007

Les tracés de bassins versants Bassin drainé à la station des Senchi Halcrow sur la Volta, drainant une superficie d’environ 390 000 km² Une fois le réseau hydrographique « identifié », il a fallu tracé les superficies correspondant au bassin drainé aux points de mesure. Nous avons utilisé le modèle numérique de terrain GTOPO30 de l’USGS pour déterminer la direction des flux, l’accumulation des flux et nous avons fait tourner le module ‘tracé de bassins versants’ sous Spatial Analyst, puis affiné le tracé avec quand cela était nécessaire à l’aide des travaux publiés sur la région, principalement par les hydrologues de l’IRD. Vous voyez ici le résultat de ce tracé de bassins pour la station de Senchi Halcrow au Ghana, drainant une superficie de 388154 km². FIG 2007

Les bassins ont été tracés pour des stations remplissant deux critères : la taille du bassin drainé devait comprendre au moins une maille du modèle (c’est-à-dire un demi degré carré, soit environ 2500 km²) et avoir été observée pendant au moins 20 ans. 356 stations ont satisfait ces deux conditions et ont été tracés. Ce travail a donné lieu à la production d’un nouveau produit de ce système d’informations : la réalisation de cette carte éditée par le service de cartographie de l’IRD et qui est sous presse. Elle devrait être disponible courant octobre. FIG 2007

Le modèle pluie-débit FIG 2007 Le contour du bassin est la base de traitement du modèle. Le tracé fut donc le premier besoin dans les « produits » nécessaire au modèle pour fonctionner. A l’intérieur de ce tracé, sous forme de maillage au pas d’un demi-degré carré, sont traitées les données de pluie, d’ETp, soit évapotranspiration potentielle et des valeurs de profondeur d’infiltration de la pluie. Schématiquement, une certaine quantité d’eau tombe (la pluie) et une partie de cette quantité d’eau s’infiltre dans le sol, une autre partie est restituée dans l’atmosphère sous forme d’évaporation soit directe, soit par la transpiration des plantes, et le reste du « bilan » s’écoule vers les points les plus bas du bassin, c’est-à-dire les cours d’eau, ce qui donne le débit à l’exutoire, c’est-à-dire à la station de mesure. FIG 2007

Nous avons donc eu à déterminer la quantité d’eau interceptée par le sol. Il nous fallait disposer d’une couverture pédologique couvrant la totalité de notre zone d’étude de façon homogène. Le calcul de la valeur de profondeur d’infiltration pour chaque maille dans le bassin FIG 2007

La carte des sols de la FAO Nous avons fini par adopter la carte des sols diffusé sous format numérique par la FAO. Cette carte est disponible sur le monde entier. FIG 2007

Détermination de WHC 60,I, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 100 1026,Af2-2a, 0, 0, 90, 0, 0, 0, 10 1041,Af5, 0, 0, 100, 0, 0, 0, 0 1072,Ap20, 0, 0, 30, 25, 0, 25, 20 1075,Ap23-1/2a, 0, 0, 40, 20, 0, 20, 20 1084,Be26, 0, 0, 100, 0, 0, 0, 0 1089,Be3, 0, 0, 60, 20, 0, 0, 20 1194,G2-3a, 100, 0, 0, 0, 0, 0, 0 1221,I-1c, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 100 1259,I-Lf-Ne, 0, 0, 66, 0, 0, 0, 34 1328,J3-2a, 100, 0, 0, 0, 0, 0, 0 1420,Lf1, 0, 0, 100, 0, 0, 0, 0 1426,Lf11, 0, 0, 100, 0, 0, 0, 0 1469,Lf41-2a, 0, 0, 20, 0, 60, 0, 20 1472,Lf45-2ab, 0, 0, 100, 0, 0, 0, 0 1544,Nd1, 0, 0, 100, 0, 0, 0, 0 1563,Nd27, 0, 0, 20, 30, 0, 30, 20 1565,Nd3, 0, 0, 70, 0, 0, 0, 30 1580,Ne14-3, 0, 0, 30, 0, 0, 70, 0 1583,Ne18, 0, 0, 80, 0, 0, 0, 20 A chaque classe de sol, la FAO associe une fourchette de valeurs de profondeur d’infiltration. Nous avons utilisé cette fourchette de valeurs pour calculer pour chaque maille du modèle une valeur de dimensionnement du réservoir sol pour le minimum de la fourchette donnée, une pour la valeur moyenne de la fourchette et une pour le maximum de la fourchette. FIG 2007

Le Chari à Ndjamena Et nous arrivons à trois valeurs de WHC dimensionnant le réservoir sol pour le modèle. Ici c’est la valeur maximum de chaque classe qui figure pour toutes les mailles du bassin du Chari à Ndjamena. FIG 2007

Le site IMS Dernier produit en date du système d’informations environnementales que nous avons développé est le site web. Le menu principal offre trois possibilités: Et la consultation des données Au safari photos Accéder aux produits, FIG 2007

Conception - Dictionnaire des sous-systèmes (extrait) Sous-système : Gestion de données Chronologiques Description Programme client de connexion au serveur de données. Ce sous-système permet de sélectionner une ou plusieurs séries chronologiques de données suivant plusieurs critères et de les exporter aux formats prédéfinis d'entrées de modèles. Classes concernées: Toutes les classes modélisant les données hydro-météorologiques. Relation avec les autres sous-systèmes SGBD, Techniciens et Hydrologues Contraintes d'intégrité Ce sous-système en tant que client intègre les contraintes d'intégrité définies dans le sous-système SGBD mais n'en définis pas de nouvelles Ressources Plate-forme de développement DELPHI 6.0, Imprimante laser A4 Utilisateurs concernés Techniciens et Hydrologues. Services rendus aux utilisateurs Sélection, visualisation graphique, impression sous forme de tableau et exportation sous forme de fichiers des données hydro-météorologiques. De par ses possibilités d'accès aux données par des sélections multicritères, ce sous-système est parallèlement un outil de vérification de saisie et d'acquisition des données hydro-météorologiques pour les techniciens. Relations avec les utilisateurs Les utilisateurs se connectent au serveur de données en utilisant ce sous-système et ont un aperçu synthétique du contenu du système. Ils peuvent, en affinant leur choix suivant différents critères comme le pays, le type de données, le pas de temps, la source de données etc., sélectionner les séries chronologiques de données hydro-météorologiques recherchées et les exporter aux formats standards (Texte fixe, texte délimité, Excel, etc.). Des fonctions de tracé graphique, et production d'inventaires sont aussi disponibles dans ce sous-système afin d'aider au choix des séries. FIG 2007

Conception - Identification des sous-systèmes Gestion des données chronologiques saisie, visualisation, inventaire extraction. SGBD stockage, gestion des données et des méta-données. SIG gestion objets spatiaux, services de cartographie et de requête. Acquisition des données cartographiques stockage des cartes thématiques. calcul de contour des bassins versants détermination du chevelu d'un bassin hydrographique. Exploitation des données cartographiques calcul et extraction des informations physiques d'un bassin versant. Gestion de fichiers  stockage des fichiers des couches thématiques, de contour et de chevelu. Visualisation d’un endroit sélection d'un endroit et visualisation des photographies. FIG 2007

Conception - Identification des réservoirs de données SGBD stocke les instances des classes définissant les données hydro-météorologiques et les méta-données.. SIG stocke les données spatiales.. Gestion de fichiers  organisé (arborescence) stocke logiquement les fichiers d'image NDVI, les fichiers des photographies. Liens d'intégrité référentielle entre trois sous-systèmes: les informations dans SIEREM se réfèrent aux méta-données stockées dans le système "SGBD", le sous-système "SIG" stocke les données spatiales en fonction d'une organisation définie par le sous-système "Gestion de fichier", les entités spatiales sont indexées sur les méta-données du sous-système "SGBD". FIG 2007

La modélisation - Le dictionnaire des données Classe Définitions Informations BASSIN VERSANT Cette classe modélise le bassin versant dont la station hydrométrique qui y réfère est à l'exutoire Nom – Parent – Superficie PERSONNE Personne chargée de l'administration et de la distribution de données pour une source de données Nom – Intitulé – Adresse – Téléphone – Fax – Email – URL COURS D’EAU Ruisseau, rivière, fleuve, lac, barrage au bord duquel est installé une station hydrométrique qui en mesure le débit Nom – Ordre – Pérenne – Récepteur INSTANT Indication du moment pour un évènement, comme la prise d'une photo, la mesure d'une information. Date MESURE Valeur d'une donnée mesurée ou calculée pour un des types gérés. Les valeurs manquantes ne seront pas codées dans la base, elles seront absentes de sorte que si pour une série chronologique donnée une des valeurs de son pas de temps de définition n'est pas présente, cela induira une lacune dans la série. Valeur PAS DE TEMPS Pas de temps de mesure de la série chronologique Nom – valeur PAYS Pays défini suivant la norme ISO 3116. Code – Nom – Superficie NATURE DES DONNEES Désignation du type de série chronologique (par exemple Pluie ou Température ou Insolation etc.). Nom – Agrégation SERIE CHRONOLOGIQUE Une série chronologique est un ensemble de données homogènes représentant une même variable hydro-météorologique mesurée ou calculée suivant le même protocole et le même pas de temps et à la même station de mesure. Nom - Date début - Date fin – Commentaire SOURCE DE DONNEES Organisme ou service national hydrologique ou météorologique qui a mesuré ou élaboré la donnée Nom STATION DE MESURE Station automatique ou à lecture manuelle ou sont mesurées des variables hydro-météorologiques. Code – Nom - Code A - Code B – Commentaire ENDROIT Lieu géographique à la surface de la terre. Latitude – Longitude – Altitude TYPE DE STATION Désignation du type de station de mesure. (par exemple Météorologique ou Agronomique ou Synoptique). UNITE Unité des données 'dune série chronologique. Nom – Décimales – Abréviation – Usage PHOTOGRAPHIE Photographie d'un endroit. Ceci permet de gérer des photos de stations de mesure, de paysages et de lieux caractéristiques du milieu. Informations – Titre – Auteur – Date - Commentaire Comme pour tout système d’information, il nous a été nécessaire de développer un dictionnaire des données, un dictionnaire des fonctions. FIG 2007