La discrimination des fonds sous-marins

--- une option pour le logiciel Olex ---

La détermination de la nature du fond à partir des échos de sondeurs monofaisceaux est une potentialité très demandée par les utilisateurs travaillant pour la cartographie ou la pêche.

Le problème est assez complexe. En effet, l'essentiel de l'information est contenu dans l'enveloppe temporelle des échos, dont la forme reproduit le balayage angulaire du fond par le signal et certaines caractéristiques de rétrodiffusion des fonds. Néanmoins, les signaux obtenus dans un secteur angulaire restreint proche de la verticale se prêtent mal à l'extraction de paramètres classifiants caractéristiques du type de fond. Ainsi, les potentialités sont bien moindres qu'avec les systèmes effectuant un large balayage angulaire (sonars latéraux et sondeurs multifaisceaux). La méthode de classification est basée sur la comparaison des caractéristiques de l'écho principal et du premier écho multiple ; la comparaison des traînées de ces deux signaux permet de définir un couple de paramètres représentant la rugosité des fonds et son contraste d'impédance. (d'après Xavier Lurton, Ifremer)

Sur les nouveaux sondeurs numériques non réservés à la recherche halieutique qui sont apparus récemment sur le marché (tels que les sondeurs Simrad type EQ60, EQ60BB, ES60, EK60, ER60, EY60, EA400, EK500, EA500, EY500, EA600, les données acquises par le sondeur et référencées sont stockées numériquement, ce qui permet à un logiciel comme Olex d'effectuer des post-traitements. Ainsi, conjointement aux mesures de profondeur, des mesures de réflexivité (amplitude du signal réfléchi) sont acquises grâce au module optionnel 'nature du fonds' d'Olex.

Néanmoins, Olex se contente de caractériser les fonds en donnant une idée sur la dureté et la rugosité des fond.

En effet, la caractérisation du type de fond (sable, vase, roche...) reste trop aléatoire pour pouvoir être mise en oeuvre. Bien qu'un sondeur convenablement étalonné sur des zones-tests soit capable, par comparaison, d'identifier la nature des fonds rencontrés, ceci ne peut s'appliquer que dans des conditions d'emploi similaires à celle de sa période d'apprentissage. Ce qui rend illusoire la caractérisation des fonds dans des situations aussi éclectiques que celles rencontrées par exemple dans le domaine de la pêche.

Fonds durs ou fonds mous ?

Lorsque le système Olex est connecté au sondeur Simrad Ex60 (qui grâce à son procédé exclusif 'Split Beam' apporte en plus une stabilisation et une homogénéité du faisceau, augmentant la précision des levés bathymétriques), la génération de bathymétrie en temps réel qui caractérise Olex s’enrichie de deux nouveaux paramètres caractérisant la nature des fonds :

• la dureté

Ainsi la vitesse de transmission de l'onde acoustique à travers le matériau du sous-sol marin permet de donner une indication sur sa nature. Des vitesses faibles sont généralement associées à un milieu sédimentaire meuble, peu réfléchissant; tandis que des vitesses élevées signalent souvent la présence de roches nues, très réfléchissantes.

• la rugosité

En effet, si le signal émis est suffisamment bref, il effectue, lors de la constitution de l'écho de fond, un bref balayage du fond rencontré, de géométrie annulaire autour de l'impact orthogonal. L'évolution de l'amplitude issue de ce balayage peut être un bon indicateur de la nature du fond localement: un fond très lisse écourtera la réponse temporelle qui sera limitée au seul point spéculaire, alors qu'un fond à forte rugosité correspondra à un étalement temporel important.

Comment se caractérisent ces informations dans le logiciel Olex ?

Le relief créé en 2D et en 3D se colorie pour mettre en valeur la dureté des fonds par une palette de couleurs allant du violet foncé pour les fonds mous jusqu’au jaune clair pour les fonds durs. La palette de couleurs peut être automatiquement ajustée par le système mais aussi manuellement par l’utilisateur pour renforcer la lisibilité de certaines zones.
De plus, une valeur (indice en pourcentage) permet de 'chiffrer' cette dureté sur une échelle de 0 à 100.
Note : des couleurs viennent aussi compléter les informations de la fenêtre profil du fond (pour l'analyse de ridin par exemple) en rajoutant le paramètre dureté.

Mémorisation des données de l’écho du sondeur : l'imagerie sondeur associée à la cartographie

• Par une manipulation très simple sur l’Ex60, l’image et les données de l’écho du sondeur qu’affiche l’écran de l’Ex60 sont mémorisées dans le système de navigation Olex.
• Ainsi l’échogramme est directement associé à la trace du bateau et donc géo-référencé à la carte de navigation.
• Issu des technologies développées au profit des scientifiques, le procédé numérique apporte une résolution d'analyse trés fine
• Le patron peut donc rejouer -comme sur un magnétoscope- la position du bateau sur la carte ainsi que l’échogramme associé à la trace sur plusieurs heures (comme il pouvait le faire avec les anciens sondeur papier)
• Olex utilise les mesures de base originales issues directement du transducteur et numérisés par l’Ex60.
  Par conséquent, les échelles de profondeur et le contrôle du gain peuvent alors être modifiés par l’utilisateur sur le système Olex pour une meilleure analyse de l’historique lors d’un rejeu de la trace.
  

Exemple d'utilisation du logiciel Olex avec les sondeurs Ex60 :

• succés de l'utilisation à la pêche en Cornouaille (Falmouth) avec les couples Olex et EQ60/ES60 adoptés par une quarantaine de pêcheurs locaux
• cartographie du lac Seljordsvatnet en Norvège réalisée par l'équipe du GUST (avec un EK60 et Olex)
  
• analyse des observations acoustiques de bancs d'hoplostète orange sur le Plateau Cascade dans le Sud-Est de la Tasmanie menée sur le Petuna Explorer en juin/juillet 2003 par les scientifiques australiens du Centre de recherche marine et atmosphérique CSIRO (avec un ES60 et Olex)
• Etudes acoustiques de mesure de biomasse : Institut de Recherche Maritime de Bergen (IMR) (Norvège) / NOAA (USA)

Autres systèmes de classification des fonds acoustiques (AGDS) compatibles avec Olex pour l'affichage de la dureté du fond

L'analyse de la forme de l'echo de retour permet d'interpréter certaines caractéristiques de la nature et de la géométrie fine du fond. Ainsi, plus un fond est dur, plus l'amplitude de l'écho de retour sera forte. Par contre, plus la rugosité est élecvée, plus l'amplitude de retour sera étalée. Alors que certains de ces logiciels analysent seulement l'enveloppe du premier retour pour déterminer la composition du fond (QTC Quester Tangent), d'autres sont plutôt basés sur l'étude des deux premiers retours (VBT Biosonics), d'autres sur la mesure du volume diffus (scattered) sur un echo (CH1-CH2 MPO) et d'autres sur la différence d'impédance acoustique (Elac, ASCS Stennis). De plus, la majortité de ces systèmes peuvent être adaptés à différents transducteurs : ainsi, il est alors possible de procéder à ces mêmes analyses mais sur plusieurs fréquences acquises simultanément, afin de tirer avantage des interactions des implusions sur le fond provenant de fréquences différentes.

Les fonctionnalités dans Olex liées à l'affichage de la sédimentologie avec diffèrentes couleurs en 2D et 3D sont aussi compatibles avec les systèmes de classification de la nature des fonds suivants :

Dans le cas de RoxAnn et Echoplus Seascan, l'analyse du signal est faite sur deux échos successifs caractéristiques d'une même trace. Le premier écho correspond au signal reçu après réflexion sur le fond, alors que le deuxième écho correspond au signal reçu après deux parcours de l'onde acoustique surface-fond. L'étude de la dispersion du signal, fonction de la rugosité du fond par rapport à la longueur d'onde du signal transmis est faite en utilisant l'étalement du premier écho (E1). L'amplitude de la réflexion, fonction de la densité du substrat (impédance) est déterminée à partir du deuxième écho (E2). Les différents échantillons acoustiques, généralement une intégration des données sur quelques sondes (ajustable de 2 secondes à une minute) sont représentés dans un graphique de la dureté (E2) et de la rugosité (E1) puis segmentés en classes acoustiques en fonction de la similitude de leurs caractères. Pour cette segmentation, RoxAnn fractionne les classes en fonction de rectangles E1-E2 préétablis pour diffrénts type de matériaux connus. Alors que pour RoxAnn les analyses sont faites à partir du signal analogique, Seascan (ou QTC) utilisent le signal après digitalisation. Seascan correspond à une version digitale simplifiée de RoxAnn et offre ainsi l'avantage de s'ajuster automatiquement à la fréquence de l'echosondeur, à la longueur et à l'énergie de l'implusion transmise ainsi qu'à la profondeur.

Ces systèmes RoxAnn et Seascan dans Olex différent de la solution sondeur numérique Simrad :

• dans la technologie utilisée pour la classification des fonds :
  
  
  • avec les systèmes RoxAnn (brochure) et Seascan, une mesure en mV de la force du signal, intégrée dans le temps, des échos multiples (provenant du sondeur associé) donne un indice de rugosité (E1) pour le premier écho et un indice de dureté (E2) pour le second écho. (voir info sur RoxAnn du SHOM)
    
    
  • avec les sondeurs Simrad, l'echo principal est converti en numérique et est ensuite soumis à une analyse utilisant un nombre important d'algorithmes d'interprétation de forme d'onde. Le choix de ces algorithmes et la manière avec laquelle ils sont appliqués à l'écho sont considérés comme sensibles technologiquement. Cependant, la théorie de l'interprétation des échos multiples n'est pas utilisée.
    
    
• dans le fonctionnement avec le système Olex : pas de mémorisation de l'échogramme possible
  
  
  • avec les systèmes RoxAnn ou Seascan Echoplus qui se rajoutent au sondeur du bord, les données sont envoyées par liaison série et sont donc retranscrites dans Olex telle quelles, sans interprétation, excepté un filtrage de valeurs limites proches du minimum ou du maximum (indiquant que le système est mal calibré ou bien saturé). Il est à noter que les valeurs numériques de rugosité et de dureté (de 0,000 à 9,999mV) envoyées par ces systèmes de classification des fonds peuvent varier considérablement :
    • en fonction du sondeur et du type de sonde utilisée : en effet, les valeurs sont une représentation numérique (vue par les systèmes de classification) de la force du signal qui peut varier d'un sondeur à l'autre de 100 w à 10 kw. En conséquence, les valeurs données n'ont -intrinséquement- aucun raport avec la nature du fond : pour chaque sondeur, ce sont les changements lorsqu'on passe de fonds mous vers des fonds plus durs (ou réciproquement) qui sont importants et à prendre en considération.
    • en fonction des calibrations effectuées : il est important de bien étalonner le système afin de donner un spectre de valeurs E1 et E2 le plus large possible (la calibration s'opèrant manuellement lorsque le bateau passe sur des fonds sableux)
      
      
  • avec les sondeurs Simrad, les données sont envoyées de manière brute vers Olex au format 'raw data' via une liaison Ethernet. Ce qui permet notamment à Olex d'afficher un échogramme avec un lien géographique sur la trace du bateau, ce que ne permettent pas les systèmes SeasScan et RoxAnn.
    De plus, ce traitement de données brutes procure à un logiciel externe comme Olex l'avantage de mettre en oeuvre des procédures d'édition et de contrôle de qualité des mesures réalisées par le sondeur que seul un logiciel puissant de traitement de données numériques peut réaliser.