Comment améliorer la précision des altitudes dans les GPS TwoNav ?

Depuis 2021, l’IGN a ouvert l’accès à une partie de ses données totalement gratuitement :

• Les Cartes IGN "TOP 25" ne sont pas encore gratuites, par contre la version “Plan” visible sur Géoportail, elle, est gratuite.
• Les Bases de Donnée Altimétriques IGN 5 x 5 m sont en libre d'accès. Ces Bases de Données permettent de générer un Modèle Numérique de Terrain, c'est à dire une carte des altitudes, ayant une résolution horizontale de 5 m x 5 m ou de 1 m x 1 m avec une résolution verticale de 1 m. Soit une excellente définition pour les utilisateurs que nous sommes.

Cet article, sous forme de tutoriel, est destiné plus particulièrement aux utilisateurs de GPS TwoNav et du logiciel Land.

À date, il ne semble pas possible d'agir au niveau des données d’altitude des GPS Garmin.

Qu’est-ce qu’un Modèle Numérique de Terrain (MNT)

Un Modèle Numérique de Terrain (MNT) est une représentation 3D de la surface du sol, créée à partir des données d'altitude. La précision d’un fichier altimétrique (Modèle Numérique de Terrain) dépend :

• De la qualité des données d’altitude (précision et moyens utilisés pour les relevés),
• De la taille de la maille élémentaire (pixel),
• De la précision horizontale de localisation de ces mailles,
• De la précision de votre géolocalisation, donc de la qualité de votre GPS, de votre Montre connectée ou de votre Smartphone.

Un MNT est un fichier qui définit la valeur de l’altitude d’un point situé au centre d’une maille, toute la surface de la maille est à la même altitude.

À titre d’exemple, le fichier du département de l’Aisne de la BD Alti IGN 5 x 5 m (Département choisi pour sa grande taille), c’est un peu moins de 400 tuiles.

Chaque maille est identifiée par un jeu de coordonnées latitude et longitude.

Plus la taille de la maille est réduite, plus la donnée d’altitude est précise. Un détail altimétrique inférieur à la taille (résolution) de la maille est ignoré.

Plus la taille de maille est réduite et meilleure est la précision, mais plus le fichier sera volumineux, donc il va occuper plus de place en mémoire et sera plus lourd à manipuler générant potentiellement le ralentissement des autres traitements.

La taille d’un fichier MNT pour un département est de l’ordre de 1Mo en 25mx25m, 120Mo en 5mx5m.

Les MNT utilisés par la plupart des applications, site internet, GPS, Smartphones grand public sont issus des données mondiales libres mises à disposition par la NASA.

L’ordre de grandeur de la précision des MNT de la NASA, c’est une taille de maille de 60mx90m et un pas d’altitude de 30 m. Ces fichiers sont bruts, ils n’ont pas été corrigés, et bien souvent les données sont interpolées, la précision est de classe moyenne et il peut y avoir des erreurs importantes.

C’est l’une des raisons, avec l’imprécision verticale du GPS, qui explique les différences de dénivelé constatées pour une trace selon le site internet qui l’héberge, le GPS ou le Smartphone qui a relevé le dénivelé.

• Le MNT Sonny (voir plus loin dans ce tuto) est disponible gratuitement pour l'Europe avec une taille de maille d’environ 25mx30m. Il utilise des sources de données plus précises que celles du MNT NASA et a été travaillé pour éliminer les principales erreurs. C’est un MNT relativement précis, utilisable pour une pratique VTT, avec de bonnes performances, à l'échelle d’un pays en Europe.

• Le MNT IGN 5 m x 5 m à une résolution horizontale (taille de la maille) de 5 m x 5 m et une résolution verticale de 1 m. Ce 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.

Construire et installer un MNT

Pour aller plus vite : Un utilisateur de GPS TwoNav a compilé le Modèle Numérique de Terrain qui couvre la France a partir des données IGN 5. x 5 m. Il est possible de les télécharger par région sur son site en accès libre : CDEM's à 5m (RGEALTI).

Pour l’utilisateur, le bon test pour évaluer la fiabilité d’un "MNT" c’est de visualiser la surface d’un lac en 3D.

Ci-dessous le lac des vieilles forges (Ardennes) vu en 3D par la BD Alti IGN en haut et par la BD Alti Sonny en bas. On voit que la qualité est au rendez-vous.

Les cartes altimétriques CDEM fournies de série par TwoNav dans leurs GPS ou pour le logiciel LAND ne sont pas très fiables.

Ce "tuto" donne donc le mode d’emploi pour charger des “tuiles” de données altimétriques fiables, pour les GPS TwoNav et le logiciel LAND.

Les données sont disponibles, gratuitement pour :

• Toute l’Europe : Base de Données altimétriques Sonny,
• France : Base de données altimétriques de l’ IGN.

Vous pouvez vous constituer un fichier couvrant un pays, un département ou juste un secteur géographique (Dalle/tuile/Pastille) afin d'économiser la mémoire utile, ou pour favoriser l’emploi de fichiers moins lourds.

Base de Données Altimétrique Sonny

Les modèles 1" sont divisés en tuiles de fichier 1°x1°, ils sont disponibles au format SRTM (.hgt), pour une taille de maille 22x31m selon la latitude, format qui est utilisé dans le monde entier et utilisé par de nombreux logiciels. Ils sont identifiés par leurs coordonnées exemple N43E004 (43° nord, 4°est)

Procédure

1. Se connecter au site Sonny

2. Télécharger les dalles correspondant au pays ou au secteur géographique choisi.

3. Extraire les fichiers .HGT des fichiers.ZIP téléchargés.

4. Dans LAND charger chaque fichier .HGT

5. Dans LAND, tous les .hgt voulus étant ouverts, fermer les autres.

6. Faire "Unir ces DEMS", le temps de compilation peut être long selon la quantité de dalles à réunir (choisir l’extension cdem), pour un fichier au format .CDEM utilisable sur les GPS Twonav.

Cartographie "tuile" OSM et "tuile" MNT dans LAND, tout est transposable dans le GPS et 100% gratuit !

Base de Donnée Altimétrique IGN

Cette base de données est constituée d’un catalogue par département.

Procédure

1. Se connecter au site Géoservices
2. Vous avez maintenant accès aux données IGN :
   • Clic droit sur le fichier de donnée souhaité (votre zone ou département en résolution 5M)
   • Puis "enregistrer sous..." dans le répertoire de destination
   • Le temps de chargement peut être long ce sont de gros fichiers de données !

Cette image illustre l’importation de la base de données altimétrique 5 m x 5 m du Vaucluse. Un clic droit sur le fichier, puis copier dans un dossier puis patienter le temps du chargement.

Une fois le fichier "zippé"décompressé on obtient une arborescence. Les données correspondent à environ 400 fichiers de données (tuiles) 5kmx5km soit 1000x1000 mailles de 5mx5m au format .asc (Format texte) pour un département.

Une pastille de quelques tuiles couvre largement une trace VTT.

Les coordonnées UTM du haut gauche de cette tuile ou dalles sont x=52 6940 et y=5494 775 :

• 775 : Rang de la colonne (770, 775, 780,...) sur la carte
• 6940 : Rang de la ligne sur la carte

3. Dans LAND

4. Étape suivante, aller chercher les données dans le répertoire "données", ne sélectionner que le premier fichier :

5. Ouvrir, puis confirmez, la fenêtre ci-dessous s’ouvre, attention c’est l’étape la plus délicate :

Choisir la projection Lambert-93 et le Datum RGF 93 & cocher la case en bas à gauche

Land extrait et formate les données des dalles *.asc, ce qui peut prendre un peu de temps.

Les dalles, du MNT, au format SRTM (HGT/DEM) ayant été créées, il y en a autant que de fichiers au format *.asc.

6. Land permet de les "unir" dans un fichier MNT unique ou par tuiles ou pastilles selon votre besoin (garder en tête que la taille du fichier peut ralentir le traitement d’un GPS)

Il est préférable (non essentiel) pour simplifier l’utilisation de fermer au préalable toutes les cartes ouvertes.

Dans le menu carte (voir ci-dessous) ouvrir tous les fichiers au format *.hdr (les moins volumineux) du répertoire de donnée de la BD importée (le même que pour les précédentes opérations)

Land ouvre les fichiers HDR, le MNT du département est chargé et utilisable

7. Voilà, le MNT des Ardennes est utilisable (carte du relief), pour simplifier son utilisation on va les unir dans un seul fichier.

Menu Liste:

Unir ces DEM

Choisir le format *.cdem et nommer votre fichier MNT

Le travail de fusion va prendre un peu de temps, il y a plus de 21 000 fichiers à regrouper. D'où la recommandation de fonctionner sur la base de pastilles MNT couvrant vos terrains de jeux.

Notre Modèle Numérique de Terrain des Ardennes réalisé, il suffit d’ouvrir ce fichier avec comme ci-dessous la carte IGN Géoportail par exemple.

L’essai est fait en ouvrant directement la trace UtagawaVTT "le Château de Linchamp" affichée au départ à un dénivelé de 997m, 981m avec le MNT Sonny (Processus précédent) et 1034m lorsque Land remplace l’altitude ce chaque point par celle du MNT 5mx5m.

La valeur 1070 reste une estimation, car décompter les courbes sur la carte dans le relief n’est pas trivial.

Utilisation du fichier altimétrique

Les fichiers MNT.cdem sont utilisables par LAND pour extraire l’altitude, calculer le dénivelé, la pente, des traces Waypoints, etc. et par tous les GPS TwoNav, il suffit de placer le fichier dans le répertoire /map et de le sélectionner comme une carte.cdem.

L’article du blog sur les altitudes inexactes expose la problématique de l’altimétrie et du dénivelé avec un GPS, le principe est transposable aux montres GPS ainsi qu’aux applications des smartphones.

Plusieurs techniques sont mises en œuvre par les fabricants pour "gommer" les imprécisions exposées dans cet article, le filtrage (moyenne glissante) des données d’altitude, l’utilisation d’un capteur barométrique, ou d’un Modèle Numérique de Terrain.

L’altitude GPS est "bruitée", c’est-à-dire qu’elle bouge autour d’une valeur moyenne, l’altitude barométrique est elle soumise aux aléas de la pression atmosphérique et de la température donc de la météo et les fichiers MNT peuvent être imprécis.

L’hybridation du baromètre avec le GPS ou le MNT, se base sur le principe suivant :

• Sur un temps long, la variation de l’altitude barométrique est biaisée par l’évolution de la météo (Pression et température),
• Sur un temps long, les erreurs de l’altitude GPS sont éliminées par filtrage,
• Sur un temps long, les erreurs de MNT sont assimilables à du bruit, par conséquent éliminées par filtrage.

L’hybridation consiste à calculer l’altitude moyenne du GPS ou du MNT et à en extraire la variation d’altitude.

Par exemple durant les 30 dernières minutes l’altitude filtrée du bruit (GPS ou MNT) est augmentée de 100m; or durant la même période, l’altitude délivrée par le baromètre a progressé de 150m.

En toute logique, la variation d’altitude devrait être la même. La connaissance des propriétés de ces senseurs permet de "recaler" le baromètre de -50 m.

Régulièrement, en mode Baro + GPS ou 3D l’altitude issue du baromètre est recalée comme le ferait un randonneur ou un alpiniste manuellement en consultant la carte IGN.

Concrètement un GPS récent ou un Smartphone récent (de bonne facture) vous localise (FIX) avec une précision de 3,5m dans le plan horizontal 90 fois sur 100, lorsque les conditions de réception sont parfaites.

Cette "performance" horizontale est cohérente avec une taille de maille de 5mx5m ou de 25mx25m et l’utilisation de ces MNT permet d’obtenir une bonne précision dans le plan vertical.

Un MNT fournit l’altitude du sol, à titre d’exemple, si vous traversez la vallée du Tarn sur le viaduc de Millau, une trace recalée sur un MNT doit vous faire descendre au fond de la vallée même si le trajet reste sur le tablier du viaduc.

L’autre exemple, lorsque vous roulez à VTT ou randonnez sur un flanc de montagne bien abrupte, la précision horizontale du GPS va se dégrader du fait des effets de masques ou de multitrajet; l’altitude attribuée au FIX sera alors celle de la dalle adjacente ou plus éloignée donc soit vers le sommet soit au fond de vallée.

Dans le cas de fichier défini par des mailles de grande surface, l'altitude va tendre vers une moyenne entre le fond de vallée et le sommet!

Pour ces deux exemples extrêmes, mais typiques, le dénivelé cumulé va progressivement s’écarter de la vérité.

Recommandations d’utilisation

Pour éviter les effets de bords :

• Calibrez le baromètre du GPS, sur l’altitude de votre point de départ, peu de temps avant le départ (Recommandé par tous les fabricants de GPS),
• laissez votre GPS faire quelques FIX avant de lancer le suivi de trace, pour laisser converger la précision de localisation,
• optez pour l’hybridation : calcul d’altitude = Baromètre + GPS ou Baromètre + 3D.

Si l’altitude de votre trace a été synchronisée sur le MNT, vous aurez des calculs de dénivelé et de pente très précis, comme sur l’image ci-dessous, où l’écart n’est que de 1m.

GPS Trail 2 (capture en 72dpi image dégradée, Écran GPS 200 dpi) - Carte Raster et vectorielle OSM superposées - Échelle 1/10 000 - CDEM 5mx5m BD Alti IGN l’ombrage souligne les pas d’altitude de 1m.

L’image ci-dessous compare le profil de deux traces identiques de 30km (la même renommée) l’altitude de l'une à été synchronisée avec le MNT IGN l’autre avec le MNT Sonny, le parcours suivi en mode hybride baro + 3D.

• Dénivelé lu sur la carte IGN : 275m
• Dénivelé calculé par le GPS en mode Hybride Baro + 3D: 295m (+7 %)
• Dénivelé calculé par le GPS en mode Hybride Baro +GPS: 297m (+8 %).
• Dénivelé synchronisé sur le MNT IGN : 271m (-1,4 %)
• Dénivelé synchronisé sur le MNT Sonny : 255m (-7 %)

La "vérité" se situe probablement au-delà des 275m de l’IGN, du fait de l’étagement des courbes.

Exemple d’une calibration (compensation) automatique de l'altimètre barométrique d’un GPS, durant le parcours illustré ci-dessus (Source Log file du GPS) :

• Pas d’accumulation vertical pour calcul du dénivelé : 5m, (Paramétrage identique aux courbes de la carte IGN),
• Altitudes au moment de la calibration / recalage:
  • GPS 113.7m,
  • Altimètre barométrique 115.0m,
  • Altitude MNT 110.2m (Carte IGN 110m),
• Itération (Période de calcul) : 30 minutes
• Correction barométrique pour les 30 minutes à venir : - 0.001297