Les États-Unis remplacent le NAD83 par le NATRF2022 : ce que cela signifie pour le Canada
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Les États-Unis remplacent le NAD83 par le NATRF2022 : ce que cela signifie pour le Canada Caroline Erickson, Geoff Banham, Ron Berg, Joey Chessie, Michael Craymer, Brian Donahue, Renée Tardif, Yves Thériault, and Marc Véronneau Résumé : En 2022, les États-Unis, dans le cadre de la modernisation de leur système de référence, remplaceront le Système de référence géodésique nord-américain de 1983 (NAD83) par un nouveau cadre de référence terrestre nord-américain (NATRF2022), ce qui entraînera des différences de coordonnées horizontales de 1,3 à 1,5 mètre à la frontière canado-américaine par rapport au NAD83 (SCRS) canadien. Jamais auparavant des différences aussi importantes n’avaient existé entre les cadres de référence de nos deux pays. Le présent document examine les raisons pour lesquelles les États-Unis apportent ce changement et examine ensuite la situation du Canada en ce qui concerne les cadres de référence. Il y a des raisons impérieuses pour que le Canada emboîte le pas et passe au NATRF2022 d’ici une décennie, mais cela représente aussi des défis majeurs. Que le Canada suive ou non la même voie, il y a beaucoup de travail à accomplir pour préparer le Canada à l’adoption du NATRF2022 par les États-Unis. Le présent document se veut une première étape pour informer la communauté géospatiale canadienne de la décision des États-Unis d’adopter le NATRF2022 et de ce que cela signifie pour le Canada. Mots clés : NATRF, NAD83, Cadre de référence, SCRS, GNSS Ce document est publié en anglais sous forme de Note technique dans Geomatica, 2019, 73(3): 74-80, https://doi.org/10.1139/geomat-2019-0021. Introduction Levés géodésiques du Canada (LGC) et le National Geodetic Survey (NGS) des États-Unis collaborent depuis plus d’un siècle à fournir le système de référence fondamental pour la latitude, la longitude et l’altitude dans leur pays respectif, donnant ainsi la base pour la cartographie, les travaux techniques et les autres activités pour lesquelles la détermination de la position géographique est importante. La science et la technologie disponibles pour déterminer sa position se sont considérablement améliorées au cours de cette période et elles continuent de s’améliorer, ce qui impose des exigences connexes au système de référence sous-jacent. Le Canada et les États-Unis ont apporté des améliorations importantes à la réalisation du Système de référence nord-américain de 1983 (NAD83), leur système de référence pour le positionnement horizontal, tout en maintenant la compatibilité entre eux. C. Erickson, M. Craymer, B. Donahue, and M. Véronneau. Canadian Geodetic Survey, Natural Resources Canada, Ottawa, ON K1A 0Y7, Canada. G. Banham. Geodetic Control Unit, Alberta Parks and Environment, Edmonton, AB T5K 2J6, Canada. R. Berg. Geomatics Office, Ministry of Transportation Ontario, St. Catharines, ON L2R 7R4, Canada. J. Chessie. Land Registry, Service New Brunswick, Fredericton, NB E3B 5G4, Canada. R. Tardif. Surveyor General Branch, Natural Resources Canada, Ottawa, ON K1A 0Y7, Canada. Y. Thériault. Direction générale de l’information géospatiale, Ministère de l’Énergie et des Ressources naturelles, Québec, QC G1H 6R1, Canada.
2 Cela signifie qu’il est facile pour les utilisateurs de travailler avec des données géospatiales qui s’étendent dans les deux pays (p. ex. la transition entre le Canada et les États-Unis sur une carte canadienne débordant aux États-Unis ou vice versa serait transparente puisqu’elle serait basée sur le même système de référence). Mais cela est sur le point de changer. En 2022, les États-Unis, dans le cadre de la modernisation de leur système de référence géodésique, remplaceront le NAD83 par le nouveau cadre de référence terrestre nord-américain de 2022 (NATRF2022), ce qui entraînera des changements de coordonnées 3D pouvant atteindre 2 mètres. Le long de la frontière canado-américaine, les différences horizontales varieront de 1,3 à 1,5 mètre, comme le montre la figure 1. Jamais auparavant des différences aussi importantes n’avaient existé entre les cadres de référence canadien et américain. Fig. 1 - Différence approximative touchant les coordonnées horizontales (à gauche) et verticales (à droite) entre le NAD83 et le NATRF2022 [d’après les chiffres originaux du National Geodetic Survey (2019b)]. Qu’est-ce que cela signifie pour les utilisateurs? Supposons que quelqu’un détermine en temps réel sa position au Canada à l’aide du GNSS (Global Navigation Satellite System) et continue de le faire après avoir traversé la frontière. Une fois aux États-Unis, ses coordonnées seront faussées de plus d’un mètre par rapport au NATRF2022 adopté aux États-Unis. Si l’on connaît et comprend le système de référence utilisé et que l’on dispose des métadonnées et des transformations appropriées pour en tenir compte, la différence peut, d’un point de vue technique, être facilement traitée. Le défi consistera à gérer cette situation et à s’assurer que les utilisateurs en sont conscients. Il vaut donc la peine d’examiner les Les États-Unis remplacent le NAD83 par le NATRF2022 : ce que cela signifie pour le Canada | décembre 2019
3 raisons pour lesquelles les États-Unis apportent ce changement, d’évaluer la situation au Canada et de songer à notre orientation future. Contexte général Un peu de contexte sur l’évolution du NAD83 est nécessaire pour comprendre certains des motifs pour lesquels les États-Unis ont opté pour le NATRF2022. Pour une couverture complète du NAD83, voir Craymer (2006). Dans les années 1990, on s’est rendu compte que le NAD83 n’était pas géocentrique, mais qu’il comportait plutôt un décalage de 2,2 m. À peu près au même moment, des progrès ont été réalisés au niveau international. Le positionnement et la géodésie dépendent beaucoup de la collaboration entre les pays du monde entier, car des observations globales sont nécessaires pour comprendre les dimensions et la forme de la Terre et pour déterminer notre position sur sa surface. En 1992, l’Association internationale de géodésie (AIG) a adopté une résolution comprenant les deux recommandations suivantes (AIG 1992) : « 1) que les groupes effectuant des calculs de haute précision dans des buts géodésiques, géodynamiques ou océanographiques, soit utilisent l’ITRF directement, soit rattachent soigneusement leurs propres systèmes à l’ITRF (...) » « 4) que pour des applications de haute précision pour une échelle continentale, un système se déplaçant avec la plaque rigide peut être utilisé pour éliminer des vitesses non nécessaires pourvu qu’il coïncide exactement avec l’ITRF à une époque spécifique. » Conformément à cette résolution, le Canada et les États-Unis ont redéfini le NAD83 par rapport au Cadre de référence terrestre international (ITRF) par une transformation à sept paramètres et ont maintenu ses coordonnées arrimées à la plaque nord-américaine en utilisant NUVEL-1A pour l’estimation du mouvement de la plaque. Le système de référence révisé du Canada a été nommé NAD83(SCRS), où SCRS signifie Système canadien de référence spatiale. Contrairement au NAD83 classique [maintenant connu sous le nom de NAD83(Original)], qui a été défini en fonction des coordonnées horizontales des repères physiques dans le sol appelées points de contrôle, NAD83(SCRS) est un système entièrement tridimensionnel (latitude, longitude, altitude ellipsoïdale) mais est toujours décalé de 2,2 m du véritable centre de la Terre. Comme NAD83(SCRS) est défini par rapport à l’ITRF au moyen d’une transformation mathématique relativement simple, les utilisateurs peuvent maintenant déterminer leurs positions 3D au moyen d’un positionnement ponctuel précis (PPP) sans avoir à occuper de points de contrôle (Héroux et coll., 2006). Modernisation du National Spatial Reference System aux États-Unis. Environ deux décennies plus tard, le NGS des États-Unis a lancé leur plan d’amélioration du National Spatial Reference System (NSRS) des États-Unis et il a depuis détaillé ces plans dans trois documents directeurs « Blueprint » (NGS 2017a, NGS 2017b et NGS 2019a). Les deux piliers de leur plan sont le remplacement du NAD83 par le nouveau NATRF2022 et le remplacement de leur North American Vertical Datum (Système nord-américain de référence altimétrique) de 1988 (NAVD 88) par le nouveau North American-Pacific Geopotential Datum (Système nord-américain et pacifique de référence altimétrique) de 2022 (NAPGD2022). Les États-Unis remplacent le NAD83 par le NATRF2022 : ce que cela signifie pour le Canada | décembre 2019
4 Smith (2010) a bien expliqué la raison principale du remplacement du NAD83 par le NATRF aux États- Unis : « L’avenir du positionnement est le GNSS. Les cadres de référence sous-jacents pour tous les systèmes GNSS sont géocentriques. » « (...) la technologie évolue si rapidement que les utilisateurs autonomes du GNSS auront bientôt accès à des dispositifs de positionnement multiconstellation peu coûteux qui peuvent atteindre une précision inférieure au mètre près. En l’occurrence, une différence horizontale touchant les données nationales pouvant aller jusqu’à deux mètres entraînera une variété de difficultés. Par exemple, les cartes des routes des États-Unis peuvent comporter des coordonnées NAD83, mais les dispositifs de navigation personnels fonctionnent en WGS84 (dont l’origine est géocentrique à quelques centimètres près) (...) Dans un tel contexte, comparer les coordonnées WGS84 d’une voiture avec les coordonnées NAD 83 des routes cartographiées produit une erreur pouvant atteindre 2 mètres, ce qui pourrait entraîner une détermination erronée des voies de circulation. » « Il est irréaliste de supposer que la transformation appropriée du point de référence serait codée avec précision dans chaque dispositif de positionnement portatif personnel pour corriger cette erreur. (...) Encore aujourd’hui, il subsiste des logiciels qui traitent le WGS84 comme l’équivalent du NAD83. Plutôt que de risquer des vies et des biens pour de tels malentendus, NGS estime qu’un système de référence géocentrique est la meilleure approche. » [traduction] Laurichesse et Banville (2018) ont fait la démonstration d’une précision de dispositifs autonomes encore plus élevée que celle décrite par Smith : « positionnement ponctuel instantané multifréquences de précision de l’ordre du centimètre », ce qui a justifié des exigences connexes s’appliquant au système de référence sous-jacent. Le projet américain de remplacer le NAVD 88 par le NAPGD2022 comme système de référence altimétrique est motivé par le réseau de points de contrôle altimétriques « fragile, imprécis et en rapide détérioration » utilisé pour accéder au NAVD 88 (Smith 2010). Le Canada a partagé la même motivation lorsqu’il a modernisé son système altimétrique en 2013 pour en faire un système qui « permettrait aux utilisateurs des technologies de positionnement spatial d’avoir accès à un référentiel altimétrique précis et uniforme partout dans la masse continentale canadienne et les océans environnants » (Véronneau et coll., 2006). Le Système canadien de référence altimétrique de 2013 (CGVD2013), un système altimétrique compatible avec le GNSS, a remplacé le Système canadien de référence altimétrique de 1928 (CGVD28), fondé sur le nivellement classique. Voir Véronneau et Huang (2016) et Huang et Véronneau (2013) pour plus de renseignements sur le CGVD2013, sa définition et son adoption. En fait, lorsque les États-Unis adopteront le NAPGD2022, ils adopteront le même système altimétrique que le CGVD2013. La seule différence est peut-être son nom. La situation au Canada Cela nous amène à analyser la situation actuelle au Canada. Dans cette description, nous utilisons les termes système de référence et cadre de référence, où « système de référence » est un concept théorique défini par un ensemble de paramètres et de conventions et « cadre de référence » est la réalisation concrète d’un système de référence (Petit et Luzum, 2010; Thériault, 2010). Dans la nomenclature, lorsque nous décrivons des cadres, le nom inclut à la fois le système et le cadre. Les États-Unis remplacent le NAD83 par le NATRF2022 : ce que cela signifie pour le Canada | décembre 2019
5 Les cadres de référence géométrique et altimétrique actuels du Canada sont respectivement les suivants : NAD83(SCRS), version 7, époque 2010.0 CGVD2013(CGG2013A), où CGG est l’acronyme de Canadian Gravimetric Geoid (géoïde gravimétrique canadien). Les positions changent avec le temps en raison des mouvements de la surface de la Terre (croûte terrestre). Bien que le NAD83(SCRS) représente le mouvement global de la plaque tectonique nord- américaine (environ deux centimètres par an), les mouvements résiduels au Canada peuvent toute de même atteindre environ un centimètre par an. Les cadres de référence terrestres et le GNSS sont si précis maintenant que ces mouvements de la croûte terrestre sont facilement mesurables. Nous devons donc tenir compte de l’époque (c’est-à-dire de la date) lorsque nous travaillons avec des coordonnées. Au Canada, des modèles tridimensionnels complets des mouvements de la croûte terrestre sont utilisés depuis de nombreuses années. Au niveau international, de nouvelles réalisations de l’ITRF sont publiées périodiquement à mesure que de nouvelles données et des modèles améliorés deviennent disponibles. Pour chaque version de l’ITRF, Levés géodésiques du Canada (LGC) a collaboré avec les États-Unis pour mettre à jour le NAD83 conformément à la transformation et pour mettre à jour l’époque. LGC a ainsi calculé les meilleures coordonnées pour cette époque, mis à jour le modèle des vitesses de la croûte terrestre et publié une nouvelle version et époque du NAD83(SCRS). Le site Web de LGC (Ressources naturelles Canada, 2019) contient de l’information sur les cadres actuels du NAD83(SCRS) et du CGVD2013 ainsi que sur les outils, données et coordonnées du système de référence connexe. Aux États-Unis, cette dépendance temporelle n’a pas été entièrement mise en œuvre avec le NAD83. Seule la dépendance temporelle des coordonnées horizontales a été modélisée. Les États-Unis abordent cette question dans le cadre de leur plan de modernisation. Le Canada est confronté à un défi que les États-Unis n’ont pas connu en ce qui a trait à la gouvernance des cadres de référence. Aux États-Unis, la définition et l’adoption des cadres de référence pour l’ensemble du pays se font au niveau fédéral, avec le NGS des États-Unis. Au Canada, bien que la définition du cadre de référence relève du gouvernement fédéral par l’entremise de Levés géodésiques du Canada, l’adoption pour son utilisation relève des provinces. Au fil du temps, il en est résulté une situation où les provinces utilisent maintenant des versions et des époques différentes du NAD83(SCRS), comme le montre la figure 2. Cela peut être source de confusion non seulement pour les utilisateurs, mais aussi pour les fournisseurs commerciaux de services de positionnement qui travaillent dans plus d’une province. Les différences de coordonnées d’une province à l’autre entre les différentes versions et époques du NAD83(SCRS) peuvent varier jusqu’à plusieurs centimètres et doivent être traitées adéquatement. Bien qu’elles ne soient pas aussi importantes que les différences entre le NAD83(SCRS) et le NATRF2022, elles sont tout de même importantes. La pénurie ou le manque de capacité géodésique dans les provinces et les territoires du Canada (Ressources naturelles Canada, 2018) ne fait qu’ajouter au défi. Les ressources pour la gestion des Les États-Unis remplacent le NAD83 par le NATRF2022 : ce que cela signifie pour le Canada | décembre 2019
6 systèmes de référence, sans parler de la mise en œuvre de tout changement, sont limitées dans l’ensemble du pays. Figure 2 : Versions du NAD83(SCRS) adoptées au Canada en date de septembre 2019. L’année indique l’époque de référence associée aux coordonnées. Le fond de carte est issu des contributeurs de ©OpenStreetMap. Tout en élaborant la stratégie du Canada pour faire face aux changements qui toucheront le National Spatial Reference System des États-Unis et, en particulier, à l’adoption du NATRF2022, nous avons également l’occasion de relever nos propres défis et d’élaborer un moyen d’offrir et de maintenir un système de référence unifié partout au Canada. Aspects à considérer L’orientation future du Canada en ce qui a trait au NATRF2022 exige de tenir compte de nombreuses considérations. Si nous adoptons le NATRF2022 partout au Canada, les dispositifs qui utilisent le GNSS seraient directement compatibles avec les systèmes de référence utilisés par le GNSS (c.-à-d. ITRF, WGS84, PZ-90, etc.) et tout positionnement au Canada et aux États-Unis serait effectué par rapport au même système, avec une précision pouvant atteindre le centimètre. Il en résulterait que : Des véhicules autonomes et drones pourraient utiliser un système commun à travers le Canada et les États-Unis; Des projets transfrontaliers tels que l’infrastructure de transport, la gestion des bassins hydrographiques et les pipelines seraient réalisés en utilisant de façon transparente les données géospatiales; Les États-Unis remplacent le NAD83 par le NATRF2022 : ce que cela signifie pour le Canada | décembre 2019
7 Les fournisseurs de services GNSS et géospatiaux offriraient des services uniformes partout au Canada et aux États-Unis; Les utilisateurs généraux du GNSS et de données géospatiales bénéficieraient d’une compatibilité et d’une précision accrues des données. Ensemble, ces mesures renforceraient le rôle du Canada dans l’économie numérique géospatiale, dans la gestion de notre environnement et dans l’adaptation aux changements climatiques. L’adoption du NATRF2022 poserait également des problèmes : À court terme, il pourrait y avoir encore plus de confusion durant la transition; De nombreux utilisateurs sont actuellement préoccupés par l’exactitude relative locale et le fait que le système actuel répond à leurs besoins. Il se peut donc qu’ils ne soient pas motivés à changer; Les coûts de conversion de certains jeux de données (en particulier les données non numériques) peuvent être très élevés et les ressources requises très importantes. En abordant les incidences du plan de modernisation du NGS, nous ne partons pas de zéro. Depuis 2010, LGC a collaboré avec NGS au développement et à la mise en œuvre d’un système de référence spatiale 4D (latitude, longitude, altitude ellipsoïdale, temps) pour l’Amérique du Nord composé de NATRF2022 et de NAPGD2022 et, ce faisant, a promu des normes applicables à l’ensemble du continent. Par exemple, c’est grâce à cette collaboration que la surface géopotentielle utilisée pour définir le NAPGD2022 est la même que celle utilisée dans le CGVD2013. LGC travaille également à l’élaboration des outils nécessaires à la transformation du NAD83(SCRS) au NATRF2022. Toutefois, il ne s’agit là que de petites étapes initiales compte tenu de l’ampleur et de l’importance que le passage des États-Unis au NATRF2022 aura pour le Canada. Prochaines étapes Compte tenu de la situation actuelle, le Canada a des motivations solides et impérieuses de passer au NATRF2022 d’ici une décennie. Il s’agit de s’assurer que le système de référence du Canada sera prêt pour que tout le monde puisse effectuer le positionnement au centimètre près à tout endroit. En même temps, il est reconnu qu’un tel changement représentera des coûts et des efforts importants pour ceux qui travaillent avec des données géospatiales dans l’ensemble du pays. Que le Canada emboîte le pas et passe au NATRF2022 ou non, il y a un travail obligatoire qui doit être effectué au sein des communautés géodésiques à travers le pays, dans le but de communiquer et de développer les outils techniques nécessaires pour soutenir le positionnement une fois que les États-Unis passeront au NATRF2022. Le Canada dispose d’une tribune pour la collaboration fédérale-provinciale en matière de systèmes de référence canadiens. Le Comité canadien du système de référence géodésique (CCSRG) est un groupe de travail du Conseil canadien de géomatique (COCG) « chargé de planifier et de coordonner l’entretien et l’amélioration du Système de référence géodésique au Canada, auquel sont rapportées les données à référence géographique qui concernent les terres et les eaux territoriales du pays » (CGRSC 1995 et Les États-Unis remplacent le NAD83 par le NATRF2022 : ce que cela signifie pour le Canada | décembre 2019
8 CGRSC 2019). Le présent document se veut une première étape visant à informer le public des changements qui seront apportés au cadre de référence des États-Unis et de ce que ces changements signifient pour le Canada. Vos commentaires sont les bienvenus. Ils peuvent être adressés au CCSRG à l’adresse suivante : feedback-commentaires@cgrsc.ca. Remerciement Ressources naturelles Canada, numéro de contribution 20190291. Références CCSRG, 1995. Termes de référence. Comité canadien du système de référence géodésique. Disponible auprès de Levés géodésiques du Canada, Ressources naturelles Canada, à l’adresse nrcan.geodeticinformationservices.rncan@canada.ca CCSRG, 2019. Site Web du Comité canadien du système de référence géodésique. Dernière visite : 2019-09-25. Disponible à http://cgrsc.ca/ Craymer, M. 2006. The Evolution of NAD83 in Canada. Geomatica 60(2): 151-164. Héroux, P., J. Kouba, N. Beck, F. Lahaye, Y. Mireault, P. Tétreault, P. Collins, K. MacLeod et M. Caissy. 2006. Space Geodetic Techniques and the Canadian Spatial Reference system Evolution, Status and Possibilities. Huang J. et M. Véronneau. 2013. Canadian gravimetric geoid model 2010. J. Geod. 87:771-790. doi 10.1007/s00190-013-0645-0. AIG. 1992. Vœux de l’Assemblée internationale de géodésie adoptés à la XXème Assemblée Générale à Vienne. Dans « Le Manuel du Géodésien ». Bulletin Géodésique, 66(2): 134-135. (Document bilingue : https://office.iag-aig.org/doc/5d7f91f62a359.pdf) Laurichesse, D. et S. Banville. 2018. Innovation: Instantaneous centimeter-level multi-frequency precise point positioning. GPS World. 4 juillet 2018. National Geodetic Survey, 2017a. Blueprint for 2022, Part 1: Geometric Coordinates, NOAA Technical Report NOS NGS 62. Disponible à https://www.ngs.noaa.gov/PUBS_LIB/NOAA_TR_NOS_NGS_0062.pdf. National Geodetic Survey, 2017b. Blueprint for 2022, Part 2: Geopotential Coordinates, NOAA Technical Report NOS NGS 64. Disponible à https://www.ngs.noaa.gov/PUBS_LIB/NOAA_TR_NOS_NGS_0064.pdf. National Geodetic Survey, 2019a. Blueprint for 2022, Part 3: Working in the Modernized NSRS, NOAA Technical Report NOS NGS 67. Disponible à https://www.ngs.noaa.gov/PUBS_LIB/NOAA_TR_NOS_NGS_0067.pdf. National Geodetic Survey, 2019b. Page Web « What to expect: Your coordinates will change. » Dernière visite : 2019-09-25. Disponible à https://geodesy.noaa.gov/datums/newdatums/WhatToExpect.shtml. Ressources naturelles Canada, 2018. Évaluation du sous-programme Information essentielle sur la géographie. Disponible à https://www.rncan.gc.ca/evaluation/rapports/2018/21251?_ga=2.192385450.1650889805.1573592675-46043682.1549065059. Ressources naturelles Canada, 2019. Page Web « Outil de système de référence géodésique ». Dernière visite : 2019-09-25. Disponible à https://www.rncan.gc.ca/cartes-outils-et-publications/outils/systemes-reference- geodesiques/18768?_ga=2.192264746.1650889805.1573592675-46043682.1549065059 Petit G. et B. Luzum (2010). IERS Conventions. IERS Technical Note No. 36. Frankfurt am Main: Verlag des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie. Smith, 2010. Improving the National Spatial Reference System. An NGS White Paper on Improving the NSRS presented at the 2010 NGS Geospatial Summit. Disponible à https://www.ngs.noaa.gov/2010Summit/Improving_the_NSRS.pdf. Thériault, Yves (2010). Guide sur les référentiels géodésiques et altimétriques au Québec. Ministère des Ressources naturelles et de la Faune, Québec. Véronneau, M., R. Duval et J. Huang, 2006. A Gravimetric Geoid Model as a Vertical Datum in Canada. Geomatica 60(2): 165-172. Véronneau M. et J. Huang. 2016. The Canadian Geodetic Vertical Datum of 2013 (CGVD2013). Geomatica, 70(1): 9-19. dx.doi.org/10.5623/cig2016-101. Les États-Unis remplacent le NAD83 par le NATRF2022 : ce que cela signifie pour le Canada | décembre 2019
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