Erik Doerflinger 1 Introduction - 2014. Planning et enseignements Erik Doerflinger Introduction - 2014 2 Responsable :E. Doerflinger Intervenants :E.

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1 Erik Doerflinger 1 Introduction - 2014

2 Planning et enseignements Erik Doerflinger Introduction - 2014 2 Responsable :E. Doerflinger Intervenants :E. Doerflinger, S. Mazzotti, P. Vernant, C. Champollion, A. Marechal, X. Collilieux (IGN), J.-L. Carme (GEOID) Objectifs :Apporter des connaissances théoriques et pratiques sur les outils de la géodésie terrestre et spatiale en développant plus particulièrement les techniques spatiales de positionnement du type GPS. Une place importante est donnée à la manipulation des outils sur le terrain ainsi qu’aux exemples d’applications des mesures géodésiques pour l’analyse et l’interprétation des mouvements verticaux.

3 Planning et enseignements Erik Doerflinger Introduction - 2014 3 Descriptif  Introduction : Histoire de la Géodésie et Géodésie spatiale (2h)  Les systèmes de navigation satellitaires GPS/GNSS (7h)  Référentiels et systèmes de projection terrestre (3h)  Apport des outils de la géodésie aux mouvements verticaux (3h)  Intervenants extérieurs (IGN et GEOID/FUGRO) (6h)  Journée de terrain : Nivellement, tachéomètre, GPS stat. et ciné. Préparation(3h) Journée de terrain(6h) Traitement des données(6h) Évaluation des connaissances 1/4 Rapport de terrain 1/4 Exposés d’articles scientifiques (4h) 1/2 Examen écrit (3h)

4 Présentation d’un article scientifique - Mardi 9 décembre 2014 de 14h à 18h Objectifs de la présentation orale Cette présentation orale a pour but d’évaluer les compétences des étudiants à exposer clairement et dans un temps limité un article scientifique en le situant dans un contexte plus général (Autres études similaires, Impacte des résultats, Améliorations possibles,…). Tous les enseignants du module sont disposés à répondre aux questions des étudiants concernant la compréhension des articles. Cadre de la présentation L‘exposé oral par binôme d’une durée de 10 min (exactement) s’appuiera sur une dizaine de diapositives présentées par vidéo projection, mises sur CD ou sur clé USB (Vérifiiez la compatibilité du format). La moitié des diapositives seront consacrées à l’article lui même, l’autre moitié au contexte général. Le binôme veillera à bien équilibrer la participation de chacun. Séance de questions Une séance de questions d’une durée de 5 min visera à évaluer et à préciser les connaissances des étudiants sur le thème abordé, leur esprit critique et leur aptitude à resituer le sujet dans un contexte plus général. Choix des articles Sur le site de l’UM2 (http://www.univ-montp2.fr) aller sur l'Environnement Numérique de Travail (ENT- Intranet) puis une fois sur l’Espace Pédagogique Claroline rechercher dans la liste des cours > TMPM1164 > Documents et liens > Articles Chaque article ne pourra être choisi que par un seul binôme. Une fois l’article choisi, chaque binôme devra envoyer le titre au responsable du module (erik@gm.univ-montp2.fr) ainsi qu’à l’ensemble des étudiants du module par e-mail pour éviter les doublons. Contribution à la note globale du module : 1/4 Evaluation de la présentation Chaque binôme sera évalué d’une part par l’ensemble des étudiants du module, comptant pour moitié de la note, et par les intervenants du module, comptant pour l’autre moitié de la note. Les critères d’évaluation seront synthétisés dans une grille de notation en tenant compte des items suivant : Structure de la présentation (Plan clair, transition entre les parties) Respect de la durée Qualité du support (Lisibilité illustrations/contenu, Pertinence des informations présentées, Equilibre illustrations/contenu) Maîtrise du sujet et mise en perspective (Clarté de la problématique de l’article, Compréhension et maîtrise de l’article, Mise en perspective) Questions/Réponses (Compréhension er reformulation de la question, Sélection et structuration de l’information dans la réponse, Aptitude à la discussion) Planning et enseignements Erik Doerflinger Introduction - 2014 4

5 DUHAMEL Romain, NOEL Corentin Sun-Tibet-GPS+gravi_2009-GRL CHARGROS Ingrid, BENOIT Angélique, DUGAMIN Elza Load response on a large suspension bridge during the NYC MARATHONS révealed BT GPS and accelerometers LAURENT Julie, FUMIERE Quentin Sea level rise JOLIVET Marine, LOPEZ Marie GRACE detects coseismic and postseismic deformation from the Sumatra-Andaman earthquake CAVIN Rémy, ESTEVE Clément GRACE detects coseismic and postseismic deformation from the Sumatra-Andaman earthquake ALAUZE Robin BRIVES Jacques LATAPY Alexa LEYDIER Thomas MASSON Christine MOUNOUSSAMY Coralie NEAU François SALAMR-FORNER Marjorie Planning et enseignements Erik Doerflinger Introduction - 2014 5

6  05 nov. 2013Mercredi14h00-17h00E. Doerflinger STP02Présentation du module, histoire de la Géodésie et Géodésie spatiale STP02Le système global de positionnement GPS  7 nov. 2013 Vendredi14h00-17h00P. Vernant, E. Doerflinger STP02Préparation de la journée de terrain  12 nov. 2013Mercredi14h00-17h00P. Vernant, E. Doerflinger Salle InfoPréparation de la journée de terrain  17 nov. 2013Lundi 8h00-18h00P. Vernant, E. Doerflinger, A. Marechal TerrainJournée de terrain  19 nov. 2013Mercredi14h00-17h00E. Doerflinger STP02Le système global de positionnement GPS  21 nov. 2013Vendredi14h00-17h00E. Doerflinger STP02Le système global de positionnement GPS STP02Les systèmes de navigation satellitaires GNSS  24 nov. 2013Lundi 14h00-17h00P. Vernant, E. Doerflinger STP12Traitement des données de la journée de terrain  26 nov. 2013Mercredi14h00-17h00E. Doerflinger STP12Référentiels et systèmes de projection terrestre  01 déc. 2013Lundi14h00-17h00S. Mazzotti STP12Mouvements verticaux (Retour des Rapports de terrain)  03 déc. 2013Mercredi 14h00-17h00X. Collilieux, E. Doerflinger STP02Intervenant extérieur IGN  08 déc. 2013Lundi14h00-17h00S. Mazzotti STP14Mouvements verticaux  09 déc. 2013Mardi14h00-18h00E. Doerflinger, P. Vernant, S. Mazzotti STP14Exposés articles  10 déc. 2013Mercredi 14h00-17h00S. Mazzotti STP02Mouvements verticaux  11 déc. 2013Jeudi14h00-17h00J.-L. Carme, et E. Doerflinger STP02Intervenant extérieur GEOID  15 déc. 2013Lundi14h00-17h00S. Mazzotti STP10Mouvements verticaux  16 déc. 2013Mardi 14h00-17h00S. Mazzotti Salle InfoMouvements verticaux  18 déc. 2013Jeudi14h00-17h00E. Doerflinger STP11Examen écrit Erik Doerflinger Introduction - 2014 6 Planning et enseignements

7 Erik Doerflinger Introduction - 2014 7 Fichiers utiles pour le modules : Aller sur le site de l’UM2 Environnement Numérique de Travail http://portail.univ-montp2.fr Espace Pédagogique -> TMPM1164 -> Géodésie Documents et liens * Articles * Terrain_2014/2015 * Cours

8 Erik Doerflinger 8 Définition de la Géodésie - 2014

9 Définition (du grec ancien geo « Terre » et daion « diviser ») Erik Doerflinger Définition de la Géodésie - 2014 9 La géodésie se définit comme l’étude (théorique) et la mesure (pratique) de la forme et des dimensions de la terre, et de son champ de pesanteur Trajectoire du pôle de rotation terrestre (Ø≈20m) (CNES/Ill.D.Ducros) A cette définition s'y ajoute sa rotation dans l'espace, l'étude du géoïde, et depuis quelques décennies, celles des évolutions temporelles de tous ces paramètres. Nous n'en sommes qu'aux vitesses, mais l'étude des variations de vitesses est également à l'ordre du jour… La Géodésie scientifique est à l'intersection de deux grands domaines : d'un côté l'Astronomie, de l'autre les Sciences de la Terre

10 Définition Erik Doerflinger Définition de la Géodésie - 2014 10

11 Erik Doerflinger 11 Historique - 2014

12 L’antiquité Erik Doerflinger Historique - 2014 12 Avant le VI siècle av. J.-C. Les arpenteurs de l'Égypte ancienne, obligés de recommencer leur travail cadastral des terres cultivées après chaque crue annuelle du Nil pour permettre l'évaluation de l'impôt. La Terre est plate puisque c'est ainsi que nous la révèle l'expérience quotidienne. On attribue à Thalès (VI siècle av. J.-C.) l'idée d'une Terre en forme de disque flottant sur un océan infini. Reconstitution hypothétique de la carte du monde d’Anaximandre (vers 610 - 546 av. J.-C.)

13 L’antiquité Erik Doerflinger Historique - 2014 13 L’apport des philosophes grecs (partir des Ve / IVe siècles av. J.-C.) En Grèce, la démocratie et la spéculation philosophique amènent au débat contradictoire sur la forme de la terre. Pythagore reconnaît que la terre est sphérique, hypothèse étayée par quelques arguments

14 L’antiquité Erik Doerflinger Historique - 2014 14 L’apport des philosophes grecs (partir des Ve / IVe siècles av. J.-C.) En Grèce, la démocratie et la spéculation philosophique amènent au débat contradictoire sur la forme de la terre. Pythagore reconnaît que la terre est sphérique, hypothèse étayée par quelques arguments (navire qui arrive de l'horizon, …) Lorsqu'un bateau s'éloigne au large, sa coque disparaît avant son mât...d'après Legrand, Poncelet

15 L’antiquité Erik Doerflinger Historique - 2014 15 L’apport des philosophes grecs (partir des Ve / IVe siècles av. J.-C.) En Grèce, la démocratie et la spéculation philosophique amènent au débat contradictoire sur la forme de la terre. Pythagore reconnaît que la terre est sphérique, hypothèse étayée par quelques arguments (navire qui arrive de l'horizon, position de l'étoile polaire dans le ciel en fonction de la latitude, …). En deux lieux différents du globe, la direction d'une étoile ne fait pas le même angle avec la verticale (Cosmographie universelle, de Sébastien Munster (1550), Bibliothèque Nationale, Paris)

16 L’antiquité Erik Doerflinger Historique - 2014 16 L’apport des philosophes grecs (partir des Ve / IVe siècles av. J.-C.) En Grèce, la démocratie et la spéculation philosophique amènent au débat contradictoire sur la forme de la terre. Pythagore reconnaît que la terre est sphérique, hypothèse étayée par quelques arguments (navire qui arrive de l'horizon, position de l'étoile polaire dans le ciel en fonction de la latitude, éclipses, …). Preuve que la Terre est ronde en observant les éclipses. Gravure du XVIIIe siècle (Observatoire de Paris)

17 L’antiquité Erik Doerflinger Historique - 2014 17 L’apport des philosophes grecs (partir des Ve / IVe siècles av. J.-C.) En Grèce, la démocratie et la spéculation philosophique amènent au débat contradictoire sur la forme de la terre. Pythagore reconnaît que la terre est sphérique, hypothèse étayée par quelques arguments (navire qui arrive de l'horizon, position de l'étoile polaire dans le ciel en fonction de la latitude, éclipses). Aristote conduit à la notion de masse terrestre s'organisant sous la forme d'un globe parfait au centre de l'univers. Pendant toute la suite de l'Antiquité, et au Moyen âge encore, c'est cette vision qui l'emportera. A par les épicuriens, tout le monde admet l'idée d'une terre sphérique. L'école d'Alexandrie s'attacha à donner les dimensions de la terre. C'est le cas d'Eratosthène (IIIe siècle Av. J. C.) qui à l'aide de mesures astronomiques détermina la courbure de la terre et son périmètre.

18 L’antiquité Erik Doerflinger Historique - 2014 18 Méthode d'Ératosthène pour déterminer le rayon de la Terre (IIIe av. J.-C.) L’apport des philosophes grecs (partir des Ve / IVe siècles av. J.-C.) La détermination du rayon de la Terre par Ératosthène « Ératosthène remarqua que le jour du solstice d'été, un puits de Syène (Assouan) était éclairé jusqu'au fond. Or ce même jour, le soleil n'était pas au Zénith à Alexandrie puisqu'un piquet de 1m de haut, planté verticalement avait une ombre de 12,6 cm. Au moyen de cet élément, de l’hypothèse que le soleil était assez éloigné pour que ses rayons soit parallèles, et de la distance de Syène à Alexandrie (5000 stades, 1 stade mesurant 157,5 m), il parvint a fixer la longueur de la circonférence terrestre par une méthode à la fois astronomique et géométrique.

19 L’antiquité Erik Doerflinger Historique - 2014 19 Méthode d'Ératosthène pour déterminer le rayon de la Terre (IIIe av. J.-C.) L’apport des philosophes grecs (partir des Ve / IVe siècles av. J.-C.) Il cherche l’angle DHA Il sait que : AH = 1 mIl mesure : DA = 12,6 cm Tan DHA = DA / AH = 0,126 / 1  DAH ≈ 7,2° ≈ AOS Il Cherche la circonférence de la terre : P Il sait que : DHA ≈ 7,2° DHA = AOS Il mesure : AS = 5000 stades P = 5000 / 7,2*360 ≈ 250000 stades ∧ DHA Il Cherche le rayon terrestre : r Il sait que : P = 250000 stades 1 stade = 157,5 m r = 250000 / 2 π ≈ 39789 stades Soit r ≈ 6267 km

20 Le moyen âge Erik Doerflinger Historique - 2014 20 La science antique continue à fructifier dans le monde arabo-musulman alors que quelques théologiens continue à adopter la théologie biblique et l’idée d’une terre plate (Saint Augustin,…)(absurdité d’humains vivant la tête en bas !). Cosmographie de Ptomémée par Schenk et Valk (XVII-XVIII siècles) A cette époque on admet une terre sphérique placée au centre du monde formé d’un emboîtement de sphères.

21 La renaissance Erik Doerflinger Historique - 2014 21 Il faut attendre la période des grandes découvertes maritimes (C. Colomb, 1492 ; Magellan, 1520,..) pour que la question des dimensions du globe se repose à nouveau. Mercator introduit un nouveau type de projection cartographique adapté aux navigateurs (apparition de la perspective ou de la projection chez les peintres de la renaissance). Le métier d’arpenteur est créé au XIIIème siècle (cadastre). Fernel, médecin d’Henri II, mesura en 1525 la distance du méridien entre Paris et Amiens à l’aide des roues d’un carrosse et d’un cadran. Reprenant la méthode d'Eratosthène, il s'éloigne de Paris vers le nord jusqu'à trouver une hauteur méridienne du Soleil plus faible de 1°. C’est en 1533 que Gemma Frisius pose les fondements de la géodésie moderne en décrivant les principes de la triangulation moderne. En mesurant la longueur d'un côté de départ (la base) et l'ensemble des angles, on peut par trigonométrie établir la longueur de tous les côtés des triangles. Il reste à orienter le réseau de triangles par rapport au méridien pour connaître par projection la distance entre les deux lieux. La détermination de la différence de latitude se fait par l'observation de la distance zénithale d'une même étoile.

22 La renaissance Erik Doerflinger Historique - 2014 22 Mesure de la largeur d'une rivière au XVI siècle. On se sert d'une triangulation au moyen d'un compas de visée. L'illustration est tirée d'un livre de Hulsius qui à l'époque constituait le traité le plus complet sur le quadrant et son application en astronomie et en topométrie.

23 La renaissance Erik Doerflinger Historique - 2014 23 Triangulation géodésique entre Paris et Dunkerque pour mesurer la méridienne de France (1683-1718) Schéma général de la triangulation réalisée pour mesurer la méridienne de France entre 1683 et 1718

24 La renaissance Erik Doerflinger Historique - 2014 24 Et le Soleil détrôna la Terre Pendant cette époque s’engage tout un débat contradictoire entre l’idée d’un univers géocentrique (conception aristotélicien) et celle d’un univers héliocentrique (Copernic, 1473-1543 ; Galilée, 1522-1591). Les interdits sur la théorie de l’héliocentrique furent levés en 1741 et 1757 par Benoît XIV. Cette période correspond aussi à des avancées importantes en instrumentation (Kepler, 1611, télescope ; théodolite, Angleterre XVI siècle) Galilée face au tribunal de l'Inquisition Catholique Romain peint au XIXe siècle par Joseph-Nicolas Robert- Fleury.

25 Le XVII et XVIII ème siècle Erik Doerflinger Historique - 2014 25 L'abbé Picard (1620-1682) utilise la triangulation géodésique en 1669-1670. « L'arc qu'il entreprend de mesurer s'étend de Malvoisine (à 30 km au sud de Paris) jusqu'à Sourdon (à 20 km d'Amiens) et comprend treize triangles principaux. Grâce à une instrumentation perfectionnée par ses soins, il peut effectuer des mesures précises et obtient pour le degré du méridien une longueur de 57 060 toises, soit un peu plus de 111 km. Picard peut vraiment être considéré comme le père de la géodésie géométrique. La terre est-elle vraiment une sphère ? Huygens (1629-1695) et Newton (1642-1727 article Phil. Natur. Principia, 1687) invoquent des raisons théoriques pour construire un modèle de terre primitivement fluide, à l’équilibre sous l’action des forces de gravité et centrifuge dont la forme serait celle d’un ellipsoïde de révolution autour de l’axe des pôles et aplati au pôles. Isaac Newton et sont article Phil. Natur. Principia, 1687

26 Le XVII et XVIII ème siècle Erik Doerflinger Historique - 2014 26 Les géomètres et les astronomes se partagèrent donc en deux camps : les uns, les Anglais à leur tête, soutenaient les idées de Newton sur l'aplatissement; les autres, surtout ceux qui en France subissaient l'influence des Cassini, concluaient à un allongement. L'Académie des sciences prit donc, en 1734, le parti de faire mesurer un arc de méridien près de l'équateur et un autre près du pôle. Deux expéditions furent conduites  Une au Pérou (1735, Godin (1704-1760) Bouguer (1698-1758) La Condamine (1701-1774))  Une en Laponie (1736, Maupertuis (1698-1759), Clairaut (1713-1765)). La théorie de Newton triomphe, la terre est aplatie aux pôles Rapport de Bouguer(1749 ?) En 1799, l’Académie des sciences (Delambre) choisit le mètre comme unité de mesure de longueur sur la base de 1 mètre = 10 000 000ème partie du méridien terrestre. C’est la naissance du système métrique

27 Le XIX ème siècle Erik Doerflinger Historique - 2014 27 Gauss (1777-1855) va plus loin en 1828 dans le concept de figure de la terre. S’agit il de la surface réelle, de l’ellipsoïde de référence ou de la surface perpendiculaire au champ de pesanteur comme le niveau moyen des mers ? « Il distingue une surface mathématique (la surface ellipsoïdale de référence) et une surface physico- mathématique (la surface normale à la pesanteur) jusqu'alors confondues. Carl Friedrich Gauss (1777-1855) La première a la forme régulière d’un ellipsoïde de révolution dont les paramètres (aplatissement et rayon équatorial) sont déterminés à partir des mesures d’arcs de méridien pour s’approcher au plus près de la surface réelle. Elle constitue une surface théorique de référence sur laquelle des calculs peuvent être effectués; son étude est du ressort de la géodésie géométrique. La deuxième est la surface équipotentielle coïncidant avec le niveau moyen des océans, prolongé sous les continents. Son étude est du ressort de la géodésie dynamique. Elle est dénommée géoïde par Listing (1808-1882) en 1873 » (V. Deparis, 2001).

28 Le XIX ème siècle Erik Doerflinger Historique - 2014 28 Le XXème siècle se caractérise par une unification des modes de représentation géodésique à l’échelle internationale. La géodésie va connaître des avancés considérables, conjointement au développement générale des sciences de la Terre Extension des réseaux de triangulation à la terre entière et à coordonner tous ces travaux par le biais de l’Association Géodésique Internationale (Berlin, 1864) et ultérieurement par l’IUGG (1919). Pour des raisons d’ordre militaire (cartographie précise) la cartographie des irrégularités du relief devient aussi une priorité. Les mesures de pesanteur se multiplient permettant d’affiner l’ellipsoïde de référence et le géoïde. Les techniques spatiales satellitaires démarrées dans les années 60 ont multipliés les types d’observation et la quantité de données (accéléromètres embarqués, télémètres laser, mesures doppler, radar). Ainsi une vision détaillée dans le temps et dans l’espace de la surface terrestre ou du géoïde permet à toutes les échelles d’espace d’appréhender les mécanismes physiques à l’origine de la déformation du sol et des transferts de masse dans le globe. Ces aspects de la géodésie moderne feront l’objet des cours de ce module.