Les MNT LiDAR actuels permettent d'atteindre des résolutions inférieures au mètre. Cela permet un niveau d'analyse préliminaire qui n'était pas envisageable auparavant. Un grand nombre de propriétés qui peuvent être extraites du MNT. Nous allons définir le processus d'analyse en 3 phases: l'inspection visuelle, l'analyse des propriétés de la surface et celles des propriétés hydrologiques. Dans un premier temps, l'inspection visuelle consiste en une cartographie classique s'appuyant du l'ombrage (hillshading, ci-après HSG) et des orthophotos. Cette analyse doit permettre de faire ressortir la plupart des éléments structurant localement le paysage.

• But :
  • Mettre en évidence les différents processus en action à partir de leurs formes morphométriques en surface.
  • Faciliter la mise en œuvre des algorithmes morphométriques (propriétés de la surface et hydrologiques).
  • Préparer la cartographie de terrain.
• Quand : A la réception du MNT, avant la première campagne de terrain.
• Résultat :
  • Carte géomorphométrique (formes principales en format vectoriel).
• Prérequis : MNT
• Utile pour :
  • Tout le processus de cartographie

• Echelle de référence : 1:1'000 à 1:5'000
• Différents logiciels sont disponibles pour le traitement informatique du MNT. Celui utilisé pour cette étude est SAGA-GIS, logiciel open-source.
• En fonction de l'échelle intrinsèque du paramètre à investiguer, il peut être nécessaire d'utiliser le MNT selon plusieurs niveau de résolution (ici 0.5, 2, 5, 10 m), ou de choisir avec soin la taille de la fenêtre glissante utilisée pour l'analyse.
• Le HSG doit être inspecter selon plusieurs source d'illumination.
• Le travail SIG doit permettre la mise ne relation des orthophotos (evtl. sur plusieurs période différentes) et le HSG.

• Cartographie “manuelle” des éléments structurants visibles sur le HSG et/ou les orthophotos.
• Dans notre cas les éléments structurants à reporter sont :
  • les moraines latérales importantes
  • les ravines et les talwegs (persistants)
  • les sillons et les crêtes locales
  • les niches d'érosion
• Les données sont visualisées à l’aide d’un SIG et peuvent être drapée sur la surface du MNT dans un logiciel de 3D pour faciliter l'analyse.

Selon la taille et la résolution du MNT de base, les calculs peuvent être relativement long et la demande en mémoire importante. Un ordinateur récent est nécessaire et accélère le traitement de gros MNT.

1. Ombrage (HSG)
   Le relief ombré, créé à partir d’une source lumineuse dont la direction et la hauteur d’éclairage peut être décidée par l’utilisateur. C’est un élément incontournable de l'analyse du MNT. Plusieurs hillshade différents ont été obtenus en changeant l'orientation et la hauteur de l'illumination, permettant de discerner différentes morphométries. Le relief ombré est à analyser en combinaison avec les images aériennes. Une grande partie du travail de cartographie peut déjà être fait à ce stade.
2. L'inspection visuelle
   L'inspection visuelle consiste à cartographier la zone selon les préceptes classiques de la photo-interprétation (en y associant le HSG).

Figure 2.1 Exemple d'ombrage selon plusieurs illumination, en perspective 3D et l'orthophoto associées.

Définition semi-quantitative des propriétés de la surface prise à plusieurs échelles différentes. Cela revient à calculer à partir du MNT des paramètres comme la pente (ci-après SLO), le degré de convergence/divergence (COI), et la rugosité du terrain (par ex. DRV).
Ces propriétés de la surface sont prises comme des indices des processus sous-jacents. Dans notre cas, plus la surface est chaotique, plus on suppose qu'il y a eu la formation de thermokarst, donc que la quantité de glace dans le sous-sol est importante (Richardson et Reynolds, 2000; Bennett, 2001; Iturrizaga, 2011)

• But :
  • Définir si l'aspect de la surface (convexe/concave et lisse/chaotique).
  • Rattacher cet aspect superficiel aux processus de mise en mouvement.
  • Préparer la cartographie de terrain.
• Quand : Après l'inspection visuelle.
• Résultat :
  • Carte géomorphométrique.
  • Carte des terrains superficiels.
• Prérequis : MNT
• Utile pour :
  • Cartographie
  • Implantation des profils de géophysiques
  • Implantation des forages

• Echelle de référence : 1:100 à 1:2'500
• Différents logiciels sont disponibles pour le traitement informatique du MNT. Celui utilisé pour cette étude est SAGA-GIS, logiciel open-source.
• En fonction de l'échelle intrinsèque du paramètre à investiguer, il peut être nécessaire d'utiliser le MNT selon plusieurs niveau de résolution (ici 0.5, 2, 5, 10 m), ou de choisir avec soin la taille de la fenêtre glissante.

• Calcul sur la base du MNT des différent paramètre comme la pente (SLO), l'index de convergence (COI), l'analyse résiduelle avec entre autre la plage de déviation par rapport à la moyenne (DRV). Les détails des algorithmes sont donnés ci-dessous.
• L’inspection visuelle des rasters produits dépend énormément des choix d’affichage de la rampe des couleurs. Selon les logiciels utilisés, les paramètres de base de l’affichage peuvent être trompeurs ou ne pas être représentatifs du phénomène analysé. Une attention particulière doit être apportée dans ce choix.
  1. Représentation étirée : un gradient réparti les différentes couleurs choisies selon plusieurs méthodes disponibles. Celles utilisées dans ce travail sont :
     • Min-max : l'échelle de couleur est distribuée linéairement entre la valeur minimum et maximum du raster. Ces valeurs peuvent être entrées par l'utilisateur. Un étalement logarithmique entre le min et le max est aussi possible. Cette représentation est fortement influencée par les valeurs extrêmes.
     • Standard deviations : l'échelle de couleur est distribuée normalement autour de la moyenne du raster. La largeur de la fonction normale est donnée par l'écart type, entré par l'utilisateur. Cette représentation permet d'augmenter le contraste de couleurs là où le phénomène étudié est le mieux représenter, mais ne met pas en évidence les valeurs extrêmes.
  2. Représentation classifiée : Une couleur est associée à un intervalle de valeurs. Ces intervalles peuvent être choisis par l'utilisateur une fois la sensibilité sur le processus acquise (ou analysée par exemple sous forme de cluster). Une reclassification des données peut être utile. L'utilisateur possède un contrôle total sur ce mode de représentation qui est alors orientée.

Il est très important de vérifier la qualité du MNT. C'est à dire qu'il faut toujours partir des points bruts, qui permettent de connaître la densité de points par unité de surface.

Dans les années 2010, les données standards ne permettaient pas de réaliser de telles études. Des MNT dédiés devaient être acquis spécialement. Dans des zones où il y a de la végétation, seul la technique LiDAR permet un acquisition suffisamment précise.

1. Ombrage coloré (HSI)
   C'est la projection sur la roue de couleur (en mode hue, saturation, intensité, HSI, parfois aussi appelé HSV) de la normale au plan de la surface. Cela revient à combiner l'orientation cardinale des pentes avec la pente (Jaboyedoff et al., 2007).
   Son exploitation par exemple dans le logiciel COLTOP permet de bien définir les grandes formes du terrain de façon semi-quantitative.
   
   Figure 2.2 Exemple de mise en évidence de forme avec le HSI

1. Slope (SLO)
   Gradient des pentes du MNT (en degrés ou en radians). Plusieurs méthode existent pour calculer la pente, nous avons utiliser ici la méthode de (Zevenbergen et Thorne, 1987), soit :
   \begin{equation} SLO=\sqrt{(\frac{z_1-z_3}{2\cdot r})^2 + (\frac{z_2-z_4}{2\cdot r})^2} \end{equation}
   où r = la résolution du MNT et z_i = l'altitude des pixel adjacent selon l'axe N-S et O-E.
   L'analyse des pentes est essentielle pour les problèmes de stabilité, les plus raides étant évidemment plus propices au déclenchement de laves torrentielles ou de chutes de blocs.
   
   Figure 2.3 Exemple d'utilisation de la pente.

1. l'index de convergence (COI)
   Mesure la convergence (ou la divergence) du flux sur une cellule. S'il est négatif ⇒ flux divergent (crête, ou sommet parfait où l'index = -90) et s'il est positif ⇒ flux convergent (sillon, ou dépression parfaite où l'index = 90).
   \begin{equation} COI=(\frac{1}{8} \sum_{i=1}^8 \theta_i)-90 \end{equation}
   où θ = l'angle entre la direction du gradient de pente du pixel adjacent (indicé de 1 à 8) et la direction de l'axe joignant le centre de ce pixel à celui du pixel central (par ex. Thommeret et al., 2010).
   Ce résultat permet de faire apparaître les crêtes et les sillons.
   
   Figure 2.4 Exemple d'analyse de l'index de convergence.

1. Analyse résiduelle (DRV)
   Cette approche consiste en une analyse statistique des valeurs d'altitude comparées avec celle des pixels voisins. Dans un premier temps il est nécessaire de définir la variabilité spatiale du terrain. Pour cela on calcul la taille de la fenêtre pour laquelle la valeur s’écarte d'au maximum ±1 écart-type de la moyenne (dans SAGA-GIS). En fonction de la connaissance préalable (inspection visuelle et/ou terrain)on sélectionne la taille maximale de la fenêtre nécessaire pour analyser la zone d'intérêt. L'espace des pixels inclus dans la fenêtre ainsi définie est noté C. Sur cette base on calcul la déviation par rapport à la moyenne, soit :
   
   \begin{equation} dev=\frac{z_0-\bar z}{\sqrt{\frac{1}{n_c-1} \cdot\sum_{i\in C}(z_i-\bar z)^2}} \end{equation}
   de là on calcul la plage de variation avec :
   \begin{equation} DRV=\max_{i\in C} dev_0 - \min_{i\in C} \bar{dev} \end{equation}
   avec z₀ la valeur du pixel central et la moyenne de la valeur sur tous les pixels contenus dans la fenêtre mobile (Wilson et Gallant, 2000).
   
   
   Figure 2.5 Exemple de calcul du DRV.
   

Définition des zones où l'effet du ruissellement est significatif, ainsi que la connectivité entre les zones. Dans le contexte glacier couvert/ glacier rocheux l'identification de ces éléments (talweg/dépression) peut être un signe de présence (passée ou présente de glace relativement massive). On utilise principalement la convergence (COI, voir ci dessus), la platitude multirésolution des dépressions (MRVBF) et l'index d'humidité (TWI).

• But :
  • Mettre en évidence les différents processus potentiels hydrologiques à partir de la morphométrie de surface.
  • Préparer la cartographie de terrain.
• Quand : Après l'inspection visuelle
• Résultat :
  • Carte géomorphométrique.
  • Carte des éléments hydrologiques.
• Prérequis : MNT
• Utile pour :
  • Cartographie
  • Implantation des profils de géophysiques
  • Implantation des forages

• Différents logiciels sont disponibles pour le traitement informatique du MNT. Celui utilisé pour cette étude est SAGA-GIS, logiciel open-source.
• En fonction de l'échelle intrinsèque du paramètre à investiguer, il peut être nécessaire d'utiliser le MNT selon plusieurs niveau de résolution (ici 0.5, 2, 5, 10 m), ou de choisir avec soin la taille de la fenêtre glissante.

• Les données sont visualisées à l’aide d’un SIG et peuvent être drapée sur la surface du MNT dans un logiciel de 3D pour faciliter l'analyse.
• Une attention particulière doit être apportée à l’affichage des couleurs utilisé (voir Procédures et commentaires ci dessus).

Selon la portion de MNT choisie les valeurs absolues des résultats peuvent changer. Il n'est donc pour l'heure pas possible de donner des valeurs seuils à partir desquels une zone devient “plus dangereuse”.

1. Index d'humidité(TWI)
   Calcul l'intensité du ruissellement sur la base de la topographie (pente et surface contributive).
   \begin{equation} TWI = \ln{\frac{Sc_p}{\tan{\beta}}}\end{equation}
   avec Sc_p la surface contributive spécificque au droit du pixel considéré et β la pente correspondante (Böhner et Selige, 2006).
   Le TWI donne des indices de l'écoulement de l'eau sur le glace car nous supposons que les dépressions de surface sur la couverture de blocs sont créées par le passage de l'eau.
   
   Figure 2.6 Exemple de Wetness Index.

1. Platitude de dépression (MRVBF)
   Le MRVBF est un calcul qui se fait séquentiellement en augmentant la taille de la fenêtre mobile utilisée. Cela permet de voir la persistance d'une forme à différente échelle topographique. Cet algorithme est avant tout utilisé pour mettre en évidence les dépressions où une accumulation d'eau, ou de sédiments peut avoir lieu (Gallant et Dowling, 2003).
   
   Figure 2.7 Exemple de calcul du MRVBF.

Il s'agit de synthétiser dans une carte multi-couches les informations obtenues de l'inspection visuelle, de la caractérisation de la surface et de l'analyse hydrologique, complétée avec un première campagne de terrain.

• But : Synthétiser les informations dans une carte des éléments superficiels.
• Quand : Après l'étude géomorphométrique.
• Résultat : Cartes.
• Prérequis :
  • Analyse des documents existants
  • Analyse géomorphométrique
• Utile pour :
  • L'implantation des méthodes complémentaires
  • Toute l'étude

• Echelle de référence : 1:2'000 à 1:5'000
• Couches vectorielles

La compilation des données provenant des raster et des cartes de terrain, ont été digitalisées selon la méthode SIG-SION.
Les données cartographiques provenant de l'exploitation d'autres méthodes, comme les déplacements doivent aussi être intégrée dans le processus de synthèse.

Les principales difficultés sont inhérentes à la préparations des données nécessaires (cf. ci-dessus).
Sous-jacent à cette carte, il y a aussi une interprétation a priori de l'implication des phénomènes de profondeur sur les formes de surface qui peut être inappropriée dans certains cas.

Sur les deux sites d’études, les documents de base ont été beaucoup utilisés, en particulier les orthophotos et le relief ombré du MNT. Des cartes topographiques avaient été imprimées sur des transparents ce qui permettait de cartographier les observations de terrain sur la base de ces documents. Pour les deux sites des photos prises depuis hélicoptère étaient disponibles, ce qui apporte le recul nécessaire à une bonne cartographie.

1. Terrains superficiels : description grossière des terrains superficiels avec dynamique de mise en place, par exemple : moraines, cône d’éboulis, dépôts torrentiels, etc.

2. Géomorphologie : description fine des éléments du relief. Dans le cadre de cette étude les éléments suivants ont été observés :

• Cordons morainiques : crête des moraines latérales ou frontales.
• Fissures : provenant de la décompression des terrains après le retrait de la glace, de mouvements de cisaillement dans le terrain glacé ou d’instabilités à la rupture de pente.
• Crêtes et sillons : bourrelets et chenaux formés par l’érosion différentielle de la glace, des phénomènes de compression ou le fluage du matériau glacé.
• Buttes et dépressions : formés aussi par l’érosion différentielle de la glace. Thermokarst.
• Ravines actives : zone de départ de laves torrentielles.
• Zones d’érosion : zone sensible à l’érosion.
• Chenaux : lit principal du torrent ou chenal de lave torrentielle.

3. Structure géologique : à proximité de la forme étudiée, il est nécessaire de faire un levé géologique (lithologie et structural) qui permette de réaliser des coupes préliminaire. Les éléments à carter (suite à une minutieuse préparation sur la base des orthophotos et d'une analyse COLTOP) sont :

• Les affleurements avec une estimation de leur stabilité (“fixité” topographique, donc pouvant servir de points fixe ou non)
• Les pendages et leur direction

4. Granulométrie : à petite échelle, il est possible de discerner des zones où la granulométrie des débris rocheux est plus ou moins homogène. Ces résultats ont peu été exploités à ce moment et l’utilité de cette carte n’a pas été encore démontrée.

5. Hydrologie : Les cours d’eau ont été cartographiés en discernant les endroits où on entend couler l’eau sous la couverture de débris et où elle est visible. Les moulins glaciaires, points d’infiltration et résurgences sont aussi cartographiés. L’eau peut couler soit à la surface de la glace, entre la couverture de débris ou directement sur celle-ci.

6. Cryosphère : tous les points d’observation de la glace sont relevés. D’année en année, ces points peuvent drastiquement changer. Lors d’un été, au glacier Bonnard, il n’a pas été possible d’en observer un seul alors que normalement ils sont assez fréquents.

7. Végétation : aux Liapeys de Grône, la couverture végétale a été grossièrement cartographiée (présente, dispersée, absente) pour déterminer des zones plus ou moins actives des déplacements.

Intégration des données complémentaires (déplacements, géophysique et forages) aux données de surface obtenues lors de l'analyse géomorphométriques.

• But : Carte d'interprétation intégrant la profondeur
• Quand : En fin d'étude
• Résultat : Carte en couche
• Prérequis : Les différentes méthodes utilisées (GPS/géophysique/forages/ …)
• Utile pour :
  • Calcul des volumes
  • Calcul du danger

• Echelle de référence : 1:2'000 à 1:5'000
• Couches vectorielles

• Création de couches (raster!) à partir des différentes données
• Définition des couches finales (paramètres)
• Analyse croisée des couches
• Dessin des couches (unité 3D!)

Suivant l'importance du projet, il est déjà possible de travailler en 3D. Toutefois, un travail en 3D nécessite d'avoir une grande quantité d'information. Des techniques comme les plurigaussiennes permettent par exemple une modélisation volumétrique de la teneur en glace. Reste à mettre au point une méthodologie de représentation simple de ces données.