Comment puis-je améliorer la précision de l'altitude dans TwoNav GPS ?

Préambule

Depuis début 2021, l'IGN met gratuitement à disposition certaines de ses données :

• Les cartes TOP 25 de l'IGN ne sont pas encore gratuites, cependant la version Carte disponible sur Géoportail est gratuite.
• Les bases de données de l'altimètre IGN 5 x 5 m sont en accès libre. Ces bases de données permettent la création d'un modèle numérique de terrain, c'est-à-dire une carte de hauteur avec une résolution horizontale de 5 mx 5 m ou 1 mx 1 m avec une résolution verticale de 1 m. Ou une grande définition pour les utilisateurs que nous sommes.

Cet article sous forme de tutoriel s'adresse plus particulièrement aux utilisateurs des logiciels GPS TwoNav et Land.

Il n'est pas possible d'influencer les données d'altitude GPS Garmin pour le moment.

Qu'est-ce qu'un modèle numérique d'élévation (MNT)

Un modèle numérique d'élévation (DEM) est une représentation tridimensionnelle de la surface de la Terre créée à partir de données d'élévation. La précision du fichier d'élévation (DEM) dépend de :

• La qualité des données d'altitude (précision et moyens utilisés pour le levé),
• Taille de cellule unitaire (pixel),
• A propos de la précision horizontale de la localisation de ces grilles,
• La précision de votre géolocalisation et donc la qualité de votre GPS, montre connectée ou votre smartphone.

Une dalle ou une tuile de la base de données altimétrique de l'IGN. Tuile de 5 km x 5 km, constituée de 1000 × 1000 alvéoles ou alvéoles de 5 mx 5 m (Forêt de Saint Gobain Aisne). Cet écran est projeté sur le fond de carte OSM.

DEM est un fichier qui définit la valeur de hauteur d'un point situé au centre de la grille, avec toute la surface de la grille à la même hauteur.

Par exemple, un fichier départemental Aisne BD Alti IGN de ​​5 x 5 m (département choisi en raison de sa grande taille) fait un peu moins de 400 tuiles.

Chaque grille est identifiée par un ensemble de coordonnées de latitude et de longitude.

Plus la taille de la grille est petite, plus les données d'altitude sont précises. Les détails d'élévation inférieurs à la taille du maillage (résolution) sont ignorés.

Plus la taille du maillage est petite, plus la précision est élevée, mais plus le fichier sera volumineux, il prendra donc plus d'espace mémoire et sera plus difficile à traiter, ce qui ralentira potentiellement les autres opérations de traitement.

La taille du fichier DEM pour un département est d'environ 1Mo pour 25m x 25m, 120Mo pour 5m x 5m.

Les DEM utilisés par la plupart des applications, sites Web, GPS et smartphones grand public proviennent de données mondiales gratuites fournies par la NASA.

L'ordre de précision d'un DEM de la NASA est une taille de cellule de 60 m x 90 m et une hauteur de pas de 30 m. Ce sont des fichiers bruts, ils n'ont pas été corrigés, et souvent les données sont interpolées, la précision est moyenne, il peut y avoir de grandes les erreurs.

C'est une des raisons de l'imprécision verticale du GPS, qui explique le dénivelé observé pour le tracé, selon le site internet sur lequel il est hébergé, le GPS ou le smartphone qui a enregistré le dénivelé.

• Le Sonny MNT (voir plus loin dans ce guide) est disponible gratuitement pour l'Europe avec une taille de cellule d'environ 25 m x 30 m. Il utilise des sources de données plus précises que la NASA MNT et a travaillé pour résoudre les principaux bogues. C'est un DEM relativement précis adapté au VTT, avec de bonnes performances dans un pays européen.

Sur l'image ci-dessus, la tuile altimétrique (MNT BD Alti IGN 5 x 5) recouvrant les terrils (près de Valenciennes) a été convertie en courbes de niveau espacées de 2,5 m et superposées à la carte IGN. L'image permet de "convaincre" de la qualité de ce DEM.

• Le DEM IGN de ​​5 x 5 m a une résolution horizontale (taille de cellule) de 5 x 5 m et une résolution verticale de 1 m. Ce DEM fournit l'élévation du terrain ; la hauteur des objets d'infrastructure (bâtiments, ponts, haies, etc.) n'est pas prise en compte. En forêt, c'est la hauteur de la terre au pied des arbres, la surface de l'eau est la surface du littoral pour toutes les retenues supérieures à un hectare.

Assemblage et installation de DEM

Pour aller plus vite : Un utilisateur du GPS TwoNav a réalisé un modèle numérique de terrain couvrant la France à partir de données IGN 5 x 5 m, téléchargeables par région sur le site gratuit : CDEM 5 m (RGEALTI).

Pour l'utilisateur, le bon test pour évaluer la fiabilité du « DEM » est la visualisation de la surface du lac en 3D.

Sous le lac des anciennes forges (Ardennes), représenté en 3D par BD Alti IGN ci-dessus et BD Alti Sonny ci-dessous. On voit qu'il y a de la qualité.

Les cartes altimétriques CDEM fournies par TwoNav en standard pour leur logiciel GPS ou LAND ne sont pas très fiables.

Ainsi, ce "tutoriel" fournit un guide d'utilisation pour télécharger des "tuiles" de données altimétriques fiables pour le logiciel TwoNav GPS et LAND.

Les données sont disponibles gratuitement pour :

• Toute l'Europe : base de données altimétrique Sonny,
• France : base de données altimétrique IGN.

Vous pouvez créer un fichier couvrant uniquement le pays, le département ou la zone géographique (Dalle / Tuile / Granule) pour économiser de la mémoire utilisable ou utiliser des fichiers plus petits.

Base de données des altimètres Sonny

Les modèles 1'' sont divisés en morceaux de fichier de 1°x1° et sont disponibles au format SRTM (.hgt) avec une taille de cellule de 22 × 31 m selon la latitude, un format utilisé dans le monde entier et utilisé dans de nombreux programmes. Ils sont désignés par leurs coordonnées, par exemple N43E004 (43° de latitude nord, 4° de longitude est).

procédure

1. Connectez-vous au site https://data.opendataportal.at/dataset/dtm-france

2. Téléchargez les tuiles correspondant au pays ou au secteur géographique sélectionné.

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

4. Dans LAND, chargez chaque fichier .HGT

5. Dans LAND, tous les .hgts souhaités sont ouverts, fermez le reste.

6. Faites "Fusionner ces DEMS", le temps de compilation peut être long selon le nombre de tuiles à collecter (choisir l'extension cdem) pour le fichier .CDEM utilisable sur le GPS Twonav.

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Base de données altimétrique IGN

Cette base de données est constituée d'un répertoire par département.

procédure

1. Connectez-vous au site Geoservices. Si ce lien ne fonctionne pas : votre navigateur "n'a pas d'accès FTP" : pas de panique ! Mode d'emploi:
   • Dans votre gestionnaire de fichiers :
   • clic droit "ce PC"
   • clic droit "ajouter un emplacement réseau"
   • Saisissez l'adresse " ftp : // RGE_ALTI_ext : [e-mail] " " sans " " ;
   • Nommez cet accès pour l'identifier ex géoservice IGN
   • Mettre fin au processus
   • Attendez quelques minutes que la liste des fichiers se mette à jour (cela prendra quelques minutes)
2. Vous avez désormais accès aux données IGN :
   • Faites un clic droit sur le fichier de données que vous souhaitez copier.
   • Puis INSÉRER dans le répertoire cible
   • Les temps de charge peuvent être longs !

Cette image illustre l'import de la base de données des altimètres 5m x 5m du Vaucluse Cliquez avec le bouton droit sur le fichier, puis copiez dans le dossier et attendez le téléchargement.

Après avoir décompressé le fichier "zippé", une arborescence est obtenue. Les données correspondent à environ 400 fichiers de données (tuiles) de 5 km x 5 km soit 1000 × 1000 cellules de 5 m x 5 m au format .asc (format texte) pour le département.

Le disque multi-tuiles couvre principalement la piste VTT.

Chaque cellule de 5x5 km est identifiée par un ensemble de coordonnées Lambert 93.

Les coordonnées UTM du coin supérieur gauche de cette ou ces tuiles sont x = 52 6940 et y = 5494 775 :

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

3. Danse TERRE

4. À l'étape suivante, recherchez les données dans le répertoire "data", sélectionnez uniquement le premier fichier :

5. Ouvrez puis validez, la fenêtre ci-dessous s'ouvrira, attention, c'est l'étape la plus délicate :

Sélectionnez la projection Lambert-93 et ​​Datum RGF 93 et ​​cochez la case dans le coin inférieur gauche.

Land extrait et formate les données des tuiles * .asc, ce qui peut prendre un certain temps.

Après avoir créé des dalles à partir de DEM au format SRTM (HGT/DEM), il y en a autant qu'il y a de fichiers au format * .asc.

6. Land vous permet de les "combiner" dans un seul fichier DEM ou par tuile ou granule selon vos besoins (gardez à l'esprit que la taille du fichier peut ralentir le traitement GPS)

Pour faciliter l'utilisation, il est préférable (facultatif) de couvrir d'abord toutes les cartes ouvertes.

Dans le menu carte (voir ci-dessous) ouvrez tous les fichiers au format * .hdr (le moins volumineux) du répertoire des données de la base de données importée (comme pour les opérations précédentes)

Land ouvre les fichiers HDR, le département DEM est chargé et peut être utilisé

7. Ici, vous pouvez utiliser le Ardennes DEM (bump map), pour le rendre plus facile à utiliser, nous les combinerons en un seul fichier.

Menu liste :

Combinez ces DEM

Sélectionnez le format * .cdem et nommez le fichier DEM.

La fusion prendra un peu de temps, plus de 21 000 fichiers doivent être fusionnés. D'où la recommandation de travailler à base de granulés de MNT recouvrant vos aires de jeux.

Le modèle numérique du terrain ardennais que nous avons créé, il suffit d'ouvrir ce fichier de carte du géoportail IGN comme indiqué ci-dessous, par exemple.

Le test est réalisé en ouvrant directement la piste UtagawaVTT "Château de Linchamp" affichée au départ à un dénivelé de 997m, 981m avec Sonny DTM (processus précédent) et 1034m lorsque Land remplace la hauteur à chaque point par une hauteur DTM de 5mx5m .

Le calcul du dénivelé en sommant les courbes de niveau sur la carte IGN fait apparaître un dénivelé de 1070 m, soit un dénivelé de 3%, ce qui est tout à fait correct.

La valeur de 1070 reste approximative car il n'est pas anodin de calculer des courbes sur une carte en relief.

Utilisation d'un fichier altimétrique

Les fichiers MNT.cdem peuvent être utilisés par LAND pour extraire l'altitude, calculer l'altitude, la pente, les traces de points de cheminement, etc. et pour tous les appareils GPS TwoNav, il suffit de mettre le fichier dans le répertoire / map et de le sélectionner comme map.cdem.

Un article de blog sur l'altitude inexacte révèle le problème de l'altimétrie et du dénivelé à l'aide du GPS, le principe peut être reporté sur les montres GPS ainsi que sur les applications smartphone.

Les fabricants utilisent plusieurs méthodes pour « effacer » les inexactitudes présentées dans cet article, en filtrant les données d'altitude (moyenne mobile) à l'aide d'un capteur barométrique ou d'un modèle numérique de terrain.

L'altitude GPS est "bruyante", c'est-à-dire qu'elle fluctue autour d'une valeur moyenne, l'altitude barométrique dépend des aléas de la pression barométrique et de la température, de sorte que les fichiers météo et DEM peuvent être inexacts.

L'hybridation d'un baromètre avec GPS ou DEM repose sur le principe suivant :

• Sur une longue période de temps, le changement d'altitude barométrique dépend des conditions météorologiques (pression et température),
• Sur une longue période de temps, les erreurs d'altitude GPS sont filtrées,
• Pendant longtemps, les erreurs DEM sont similaires au bruit, elles sont donc filtrées.

L'hybridation consiste à calculer l'altitude GPS ou DEM moyenne et à en extraire le changement d'altitude.

Par exemple, au cours des 30 dernières minutes, la hauteur du bruit filtré (GPS ou MNT) a augmenté de 100 m ; cependant, sur la même période, l'altitude indiquée par le baromètre a augmenté de 150 mètres.

Logiquement, le changement de hauteur devrait être le même. La connaissance des propriétés de ces capteurs permet de "réajuster" le baromètre -50 m.

Typiquement en mode Baro + GPS ou 3D, l'altitude du baromètre est corrigée, comme un randonneur ou un grimpeur le ferait manuellement, en se référant à la carte IGN.

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

Cette « performance » horizontale correspond à un maillage de 5 mx 5 m ou 25 mx 25 m et l'utilisation de ces MNT permet une bonne précision verticale.

Le DEM indique la hauteur du sol, par exemple si vous traversez la vallée du Tarn sur le viaduc de Millau, la trace enregistrée sur le DEM devrait vous conduire au fond de la vallée, même si le chemin reste sur la plate-forme du viaduc. ...

Autre exemple, lorsque vous faites du VTT ou que vous voyagez sur un flanc de montagne escarpé, la précision horizontale du GPS se détériore en raison d'effets de masquage ou de trajets multiples ; alors la hauteur affectée à FIX correspondra à la hauteur d'une dalle adjacente ou plus éloignée, donc soit au sommet soit au fond de la vallée.

Dans le cas d'un dossier formé de grilles d'une grande surface, la hauteur tendra vers la moyenne entre le fond de la vallée et le sommet !

Pour ces deux exemples extrêmes mais typiques, la différence de hauteur cumulée s'écartera progressivement de la valeur réelle.

Recommandations d'utilisation

Pour éviter les effets secondaires :

• Calibrer le baromètre GPS à l'altitude de votre point de départ peu avant le départ (recommandé par tous les fabricants de GPS),
• laissez votre GPS faire quelques FIXES avant de commencer le suivi pour correspondre à la précision de votre positionnement,
• sélectionnez hybridation : calcul d'altitude = Baromètre + GPS ou Baromètre + 3D.

Si l'altitude de votre piste a été synchronisée avec DEM, vous aurez des calculs d'altitude et de pente très précis comme dans l'image ci-dessous, où la différence n'est que de 1 mètre.

• GPS Trail 2 (capture d'image dégradée 72dpi, écran GPS 200dpi)
• Raster de superposition et carte vectorielle OSM
• Échelle 1 : 10 000
• L'ombrage CDEM 5mx5m BD Alti IGN accentue la hauteur par incréments de 1m.

L'image ci-dessous compare le profil de deux pistes identiques de 30km (de la même renommée), la hauteur de l'une a été synchronisée avec IGN DEM et l'autre avec Sonny DEM, un parcours exécuté en mode baro + hybride 3d.

• Altitude sur carte IGN : 275 m.
• Altitude calculée avec GPS en mode Hybrid Baro + 3D : 295 m (+ 7 %)
• Altitude calculée avec GPS en mode Hybrid Baro + GPS : 297 m (+ 8 %).
• Montée synchronisée sur IGN MNT : 271 m (-1,4%)
• Montée synchronisée sur Sonny MNT : 255 m (-7%)

"Truth" est probablement en dehors de 275m IGN en raison du réglage de la courbe.

Exemple d'étalonnage automatique (compensation) de l'altimètre barométrique GPS pendant l'itinéraire indiqué ci-dessus (Fichier journal d'origine du GPS):

• Pas de cumul vertical pour le calcul du dénivelé : 5 m, (Le paramétrage est identique aux courbes de la carte IGN),
• Altitude pendant l'étalonnage/réinitialisation :
  • GPS 113.7 m,
  • Altimètre barométrique 115.0 m,
  • Hauteur MNT 110.2 m (Carte IGN 110 m),
• Itération (période de règlement): 30 minutes
• Correction barométrique pour les 30 prochaines minutes : – 0.001297