Pourquoi l'altitude de votre GPS ou de STRAVA est-elle fausse ?

Il est une question ou une interrogation qui est récurrente et relative à la précision de l’altitude et du dénivelé issus d’un GPS.

Bien que cela puisse sembler trivial, obtenir une altitude précise s’avère complexe, dans le plan horizontal on peut aisément poser un mètre, une ficelle, une chaîne d’arpenteur, ou accumuler la circonférence d’une roue, afin de mesurer une distance, par contre dans le plan vertical c’est plus difficile de poser un instrument de mesure 📐.

Les altitudes GPS se basent sur une représentation mathématique de la forme de la terre, tandis que les altitudes des cartes topographiques se basent sur un référentiel vertical lié au globe.

Ce sont donc deux systèmes différents qu’il faut réussir à faire coïncider en un point.

L’altitude et le dénivelé sont des paramètres que la plupart des cyclistes, VTTistes, randonneurs, alpinistes, vont vouloir consulter à l’issue d’une sortie.

Le mode d’emploi permettant d’obtenir un profil vertical et un dénivelé correct est relativement bien documenté dans les manuels d’utilisation des GPS destinés aux activités de plein air (par exemple les manuels de la gamme Garmin GPSMap), paradoxalement cette information est quasiment absente ou sibylline dans les manuels d’utilisation des GPS destinés aux cyclistes (par exemple les manuels de la gamme de GPS Garmin Edge).

Le SAV Garmin diffuse bien toutes les bonnes recommandations, comme chez TwoNav. Pour les autres fabricants de GPS ou d’applis (hormis Strava) c’est le grand vide 🕳.

Comment mesurer l’altitude?

Plusieurs techniques :

• La mise en pratique du fameux théorème de Thalès,
• Diverses techniques de triangulation,
• L’utilisation d’un altimètre,
• Radar, Lidar,
• Les mesures par satellites.

L'altimètre barométrique

Il fallait bien définir une référence : Un altimètre transforme la pression atmosphérique du lieu en altitude. L’altitude 0 m correspond à une pression de 1013,25 millibars au niveau de la mer lorsque la température est de 15° Celsius.

En pratique ces deux conditions sont rarement réunies au niveau de la mer, par exemple lors de l'écriture de cet article la pression est de 1035 mb sur la côte normande et la température voisine de 6°, ce qui peut se traduire par une erreur d’altitude de l’ordre de 500m.

L'altimètre barométrique donne une altitude précise après un recalage, tant que les conditions pression/température sont stabilisées.

Le recalage consiste à fournir l’altitude précise du lieu, l'altimètre ajuste ensuite cette valeur d’altitude en réaction aux variations de la pression atmosphérique et de la température.

Une baisse de la température 🌡 resserre les courbes de pression et l'altitude augmente, l’inverse se produit si la température augmente.

La valeur de l’altitude affichée sera sensible à la variation de la température ambiante, le porteur d’un altimètre tenu en main, porté au poignet, doit être sensibilisé à l’effet de la variation de la température locale sur la valeur affichée (ex: montre recouverte/découverte par une manche, vent relatif dû au déplacement rapide ou lent, effet de la température corporelle, etc...).

Pour simplifier une masse d’air stable, ce sont des conditions météorologiques stables 🌥.

L’altimètre barométrique, correctement utilisé, est l’instrument de référence fiable pour un bon nombre d'utilisations telles que l’aéronautique, la randonnée, l’alpinisme...

L’altitude GPS

Le GPS élabore l'élévation du lieu par rapport à une sphère parfaite modélisant la terre : "l’Ellipsoïde". La Terre n'étant pas parfaite, il faut transformer cette élévation pour fournir une altitude “Géoïde” 🌍.

Un observateur qui relève l’altitude d’une borne géodésique avec un GPS peut constater un écart de plusieurs dizaines de mètres bien que son GPS fonctionne correctement dans des conditions de réception idéales . Le récepteur GPS peut-il être dans l’erreur ?

Cet écart s’explique par la fidélité de la modélisation de l'ellipsoïde et surtout par celle du géoïde qui est complexe du fait que la surface de la Terre n’est pas une sphère parfaite, comporte des anomalies, subit les modifications humaines, et est en constant changement (Telluriques et Humains).

Ces imprécisions seront combinées aux erreurs de mesures intrinsèques au GPS, elles sont la cause de l'imprécision et de la variation constante de l’altitude délivrée par un GPS .

La géométrie de position des satellites favorable à une bonne précision horizontale, c’est-à-dire une position basse des satellites sur l’horizon, contrarie l’obtention d’une altitude précise. L’ordre de grandeur de la précision verticale c’est 1,5 fois la précision horizontale.

La plupart des fabricants de chipsets GPS intègre dans leur logiciel un modèle mathématique qui approche le modèle géodésique de la terre et délivre une altitude référencée à ce modèle.

Cela signifie que si vous marchez au bord de la mer, il n’est pas anormal de constater une altitude négative ou positive, car le modèle géodésique de la terre est imparfait et que l'erreur propre au GPS est à ajouter à cette imperfection. La combinaison de ces erreurs peut induire des écarts d’altitude supérieurs à 50 mètres à certains endroits 😐.

Les modélisations du géoïde s’affinent, concrètement, l'altimétrie issue du positionnement GNNS restera encore imprécise durant quelques années.

Modèle numérique de terrain "MNT"

Un MNT est un fichier numérique constitué de mailles, chaque maille (surface élémentaires carrée) fournit une valeur d’altitude pour la surface de cette maille. L’ordre d’idée de la taille actuelle d’une maille du MNT mondial c’est 30 m x 90 m. Connaissant la position d’un point sur la surface de la terre (longitude, latitude), il est aisé d’obtenir l’altitude du lieu en lisant un fichier MNT (ou DTM, Digital Terrain Model en anglais).

La faiblesse principale d'un MNT c’est sa fiabilité (anomalies, trous) et la précision du fichier; exemples :

• Le MNT ASTER est disponible pour un pas (maille ou pixel) de 30m, et une précision horizontale de 30m et altimétrique de 20m.
• Le MNT SRTM est disponible pour un pas (maille ou pixel) de 90m, une précision altimétrique d'environ 16m et planimétrique 60m.
• Le MNT Sonny (Europe) est disponible au pas de 1°x1°, soit une taille de maille de l’ordre de 25 x 30 m selon la latitude. Le fournisseur ayant compilé les sources de données les plus précises, ce MNT est relativement précis, utilisable "aisément" pour les GPS TwoNav et Garmin via la cartographie gratuite OpenmtbMap.
• Le MNT IGN 5 m x 5 m, est disponible gratuitement (depuis janvier 2021) au pas de 1 m x 1 m ou de 5 m x 5 m avec une résolution verticale de 1 m. L’accès à ce MNT est exposé dans ce tutoriel.

Ne pas confondre la résolution (ou la précision des données d’un fichier) et la précision réelle de ces données. Les relevés (mesures) peuvent être issues d’outils qui ne permettent pas d’observer la surface du globe au mètre près.

Le MNT IGN, disponible gratuitement 🙏 depuis janvier 2021, est un patchwork de relevés (mesures) obtenus avec différents outils. Les zones scannées pour des études récentes (risques d’inondation par exemple) ont été scannées avec une résolution de 1 m, ailleurs la précision peut être très éloignée de cette valeur. Cependant dans le fichier les données ont été interpolées pour remplir les cases au pas de 5x5m ou de 1x1m. L’IGN s’est lancée dans une campagne de relevés haute résolution en ayant comme objectif la couverture totale de la France pour 2026, à cette date le MNT IGN sera précis et disponible gratuitement au pas de 1x1x1m.

Un MNT fournit l’altitude du sol : La hauteur des infrastructures (bâtiments, ponts, haies, etc.) n’est pas prise en compte. En forêt c’est l’altitude du sol au pied des arbres, la surface de l’eau est celle de la berge pour tous les plans d’eau de plus d’un hectare.

Tous les points d’une maille ont la même altitude, par conséquent en bordure de falaise du fait de l’incertitude de position du fichier cumulée à celle de la localisation, l’altitude extraite peut être celle de la maille adjacente.

La précision de localisation d’un GPS, lorsque les conditions de réception sont parfaites, est de l’ordre de 4,5 m à 90%. Cette performance est constatée sur les récepteurs GPS (GPS + Glonass + Galileo) les plus récents. Par conséquent, la précision étant 90 fois sur 100 entre 0 et 5 m (Ciel clair, hors masques, hors canyons,...) de la position réelle il est contre productif d’utiliser un MNT avec un maillage de 1 x 1 m, car la probabilité d’être sur la bonne maille sera rare. Un tel choix va surcharger le travail du processeur sans réelle plus value !

Pour obtenir un MNT utilisable dans :

• Les GPS TwoNav : CDEM's à 5m (RGEALTI).

• Les GPS Garmin : Base de données Sonny

  Voir comment concevoir votre propre MNT pour un GPS TwoNav. Il est possible d’en extraire les courbes de niveau avec le logiciel Qgis.

Obtenir une altitude fiable avec votre GPS

Une solution serait de charger un fichier MNT dans votre GPS, mais l’altitude ne sera fiable que si la taille des mailles est réduite et si le fichier est suffisamment précis (Horizontal et Vertical).

Pour avoir une bonne idée de la qualité d’un MNT il suffit de visualiser le relief d’un lac par exemple, ou de construire une trace traversant un lac et d’observer les altitudes en coupe 2D.

Tous les GPS "de bonne facture" actuels disposent d’une boussole et d’un capteur barométrique numérique donc d’un altimètre barométrique; l’utilisation de ce capteur permet d’avoir une altitude précise à condition de caler l’altitude sur un point connu régulièrement.

L'imprécision de l’altitude fournie par le GPS a incité, dès l’arrivée du GPS, le développement, pour les besoins de l’aéronautique, d’algorithmes d’hybridation qui exploitent l’altitude du baromètre et celle du GPS afin de fournir une altitude géographique précise. C’est la solution qui procure une altitude fiable, et le choix privilégié des fabricants de GPS optimisés pour les pratiques outdoor TwoNav. et Garmin.

Chez Garmin, l’offre GPS étant typée par profil d’utilisateur (Outdoor, Cyclisme, VTT, etc.), il est indispensable de consulter les manuels d’utilisation et le SAV.

La solution optimale consiste à configurer votre GPS sur l’option :

• Altitude = Baromètre + GPS, si le GPS le permet,
• Altitude = Baromètre + DTM (MNT), si le GPS le permet.

Dans tous les cas, pour les GPS munis d’un baromètre, caler manuellement le baromètre sur l’altitude du lieu au minimum au départ. En montagne ⛰ sur de longs circuits il faudra refaire le calage, surtout en cas de variation de température et de météo.

Certains GPS Garmin, optimisés pour le cyclisme, vont recaler automatiquement l’altitude barométrique sur des points de passage dont l'altitude est connue, c’est une solution particulièrement astucieuse pour le cyclisme sur route en montagne. L’utilisateur doit cependant renseigner avant de partir l’altitude des cols et des fonds de vallée par exemple; au retour le dénivelé sera précis 👍.

En mode Baromètre + (GPS ou DTM), le fabricant intègre un algorithme de recalage automatique du baromètre basé sur le principe que, l'ascension, vue par le baromètre, le GPS ou le MNT, doit être cohérentes : ce principe offre une grande souplesse aux utilisateurs et est bien adapté aux pratiques outdoor.

Cependant l’utilisateur doit en connaître les limites:

• La référence du GPS c’est le Géoïde, par conséquent si l’utilisateur évolue sur un terrain artificiel (exemple sur des terrils) les recalages seront faussé,
• Un MNT donne la trace au sol, si l’utilisateur emprunte une forte proportion d'infrastructures humaines (Viaduc, pont, passerelles, tunnels, etc..) les recalages seront biaisés.

Par conséquent, la procédure optimale pour obtenir un dénivelé précis est la suivante :

1️⃣ Recaler le capteur barométrique au départ. Sans ce recalage les altitudes seront translatées (décalées), le dénivelé sera correct, tant que la dérive due à la météo est faible (itinéraire court hors montagne). Pour les utilisateurs de GPS de la famille Garmin, les altitudes issues des fichiers “gpx” sont utilisées par Garmin et par Strava pour la communauté, il est donc préférable d’alimenter la base de données par un profil d’altitude correct.

2️⃣ Pour réduire la dérive (erreur du dénivelé et de l’altitude) due à la météo, dans le cas de parcours longs (> 1h) et en montagne:

• Privilégier le choix Baromètre + GPS, hors des sites ou le relief est artificiel (zones de terrils, buttes artificielles..),
• Privilégier le choix Baromètre + DTM (MNT), si vous avez installé soit le MNT IGN (maille 5 x 5 m) soit le MNT Sonny (France ou Europe) hors d’un parcours qui emprunte une forte proportion d’infrastructures (passerelles, viaducs,..).

Élaboration du dénivelé

La problématique de l’altitude, exposée dans les lignes précédentes, se manifeste le plus souvent suite au constat que le dénivelé franchi est différent entre deux pratiquants, ou varie selon qu’il est lu sur le GPS ou sur une application comme STRAVA (cf aide STRAVA) par exemple.

Le GPS doit avant tout être configuré pour fournir l’altitude la plus fiable.

Obtenir le dénivelé par la lecture d’une carte est assez simple, souvent le pratiquant se borne à faire la différence entre les points de cotes extrêmes, bien que pour être précis il faille compter les courbes de niveau positives afin d’en faire la somme.

Dans un fichier numérique, les courbes de niveau n’existent pas, le logiciel du GPS ou l’application de construction de trace ou le logiciel d’analyse sont configurés pour "accumuler des pas ou incréments d’altitude".

Souvent, le "pas d’accumulation" est paramétrable:

• chez TwoNav les possibilités de paramétrages sont communes à tous les GPS
• chez Gamin vous devez impérativement consulter le manuel d’utilisation et le SAV (chaque modèle ayant ses spécificités selon le profil type de l’utilisateur)
• sur l’appli OpenTraveller il y a une option qui propose d’ajuster un seuil de sensibilité pour élaborer le dénivelé.

Chacun a sa solution 💡.

Les sites ou logiciels d’analyses en ligne ont tendance à remplacer l'altitude issue des fichiers "gpx" par des données d’altitude qui leur sont propres.

Exemple : STRAVA s’est constitué un fichier altimétrique “propriétaire” élaboré avec les altitudes issues des traces obtenues des GPS connus de STRAVA et munis d’un capteur barométrique.La solution retenue suppose que le GPS soit connu de STRAVA donc principalement issu, pour le moment, de la gamme GARMIN et la fiabilité du fichier suppose que chaque utilisateur ait pris soin de recaler manuellement l’altitude.

Pour les conséquences pratiques, la problématique émerge surtout lors de sorties de groupe, car chaque participant 🚵 peut constater que son dénivelé est différent de celui des autres membres, selon son type de GPS, ou c’est un utilisateur curieux qui ne comprend pas pourquoi les dénivelés du GPS, du logiciel d’analyse ou de STRAVA sont différents.

Dans le monde parfaitement aseptisé de STRAVA, tous les membres d’un groupe d’utilisateurs de GPS de la gamme GARMIN doivent en principe constater à la foi sur leur GPS et sur STRAVA des valeurs de dénivelé identiques. Logiquement tel que c’est fait, une différence ne s'explique que par le recalage de l’altitude, cependant rien ne permet d’affirmer que le dénivelé publié est juste.

Logiquement un membre de ce groupe utilisateur, qui possède un GPS non connu de STRAVA, devrait constater sur STRAVA le même dénivelé que celui de ses acolytes bien que le dénivelé affiché par son GPS soit différent. Il risque d’en vouloir à son équipement qui pourtant fonctionne correctement.

La valeur du dénivelé la plus proche de la vérité s’obtient encore en FRANCE ou en BELGIQUE à partir de la lecture d’une carte IGN, la mise en service de Géoïde plus affiné va progressivement déplacer la référence vers les GNSS

GNSS : Géolocalisation et Navigation par un Système de Satellites : détermination de la position et de la vitesse d'un point à la surface ou au voisinage de la Terre, par traitement des signaux radioélectriques en provenance de plusieurs satellites artificiels, reçus en ce point..

Si vous devez vous fier à un logiciel ou une application pour obtenir le dénivelé, il faut configurer ce logiciel, pour ajuster la valeur du pas d'accumulation en cohérence avec les courbes de niveau de la carte IGN du lieu soit 5 ou 10 m. Un petit pas transformera en dénivelé tous les petits sauts ou passages de bosses, inversement, un pas trop élevé, gommera l’ascension des petites collines.

Suite à l’application de ces recommandations, l’expérimentation faite par l’auteur montre que les valeurs de dénivelé obtenues sur le GPS ou par un logiciel d’analyse pourvu d’un MNT fiable restent dans une fourchette "correcte", si l’on admet que la carte IGN a aussi ses incertitudes, par rapport à l’estimation obtenue avec une carte IGN au 1/25 000.

Par contre la valeur publiée par STRAVA est le plus souvent excessive. La méthode appliquée par STRAVA basée sur "un retour" des utilisateurs permet théoriquement d’envisager une convergence rapide vers des valeurs assez proches de la vérité, ce qui selon la fréquentation doit déjà être le cas en BikePark ou sur les sentiers très fréquentés !

Pour illustrer ce propos concrètement voici ci-dessous l’analyse d’une trace, prise au hasard, sur un parcours vallonné de 20km. L’altitude "baro" du GPS a été calée avant de partir, il fournit une altitude “Barométrique + GPS”, le MNT est un MNT fiable qui a été retravaillé pour être précis. On est hors d’une zone ou STRAVA pourrait détenir un profil altimétrique fiable.

C’est l’illustration d’une trace ou l'écart entre l’IGN et le GPS est le plus important et l'écart entre l’IGN et STRAVA le plus faible, l’écart entre le GPS et STRAVA est de 80m et la vérité "IGN" se situe entre les deux.