Étude des changements morphologiques d'une rivière en tresses par LiDAR aéroporté

International audienceDes levés LiDAR aéroportés multi-temporels sont utilisés pour reconstruire les changements morphologiques d'un lit en tresses suite à une crue morphogène. Ces levés ont été acquis en octobre 2008 et avril 2010 sur un linéaire de 7 km du Bès, un affluent de la Bléone dans les Préalpes du Sud. Au cours de cette période, une crue de récurrence 15 ans a été enregistrée en décembre 2009. Les deux MNT ont été soustraits pour obtenir une carte d'érosion et de dépôt. Des mesures topographiques au dGPS ont été réalisées sur des surfaces aux caractéristiques différentes pour évaluer la variabilité des erreurs dans les MNT. La carte d'érosion et de dépôt permet d'étudier les changements morphologiques à l'échelle des macroformes et de calculer un bilan sédimentaire. Ces changements morphologiques sont enfin replacés dans leur contexte historique, étudié à partir des campagnes de photographies aériennes (1948-2010) pour lier la morphologie du lit actuel avec les changements morphologiques à long terme

Seven decades of hydrogeomorphological changes in a near‐natural (Sense River) and a hydropower‐regulated (Sarine River) pre‐Alpine river floodplain in Western Switzerland

This is the peer reviewed version which has been published in final form at https://doi.org/10.1002/esp.5017 . This article may be used for non-commercial purposes in accordance with Wiley Terms and Conditions for Use of Self-Archived Versions.Hydropower alteration of the natural flow and sediment regime can severely degrade hydromorphology, thereby threatening biodiversity and overall ecosystem processes of rivers and their floodplains. Using sequences of aerial images, we quantified seven decades (1938/1942–2013) of spatiotemporal changes in channel and floodplain morphology, as well as changes in the physical habitats, of three floodplain river reaches of the Swiss pre‐Alps, two hydropower‐regulated and one near‐natural. In the Sarine River floodplain, within the first decades of hydropower impairment, the magnitude and frequency of flood events (Q2, Q10, Q30) decreased substantially. As a result, the area of pioneer floodplain habitats that depend on flood activity and sediment dynamic, such as bare sediments, decreased dramatically by approximately 95%. However, by 2013 vegetated areas had generally increased in comparison to the pre‐regulation period in 1943, indicating general vegetative colonization. Between 1943 and 2013, the active channel underwent essential narrowing (up to 62% width reduction in the residual flow reach) and habitat turnover rates were very low (5% of the total floodplain area changed habitat type five to six times). In contrast, from the 1950s onwards, the near‐natural floodplain of the Sense River experienced recurrent narrowing and widening, and frequent changes between bare and vegetated areas, reflecting the shifting habitat mosaic concept typical for natural floodplains. In the three reaches investigated, we found that the active floodplain width and erosion of vegetated areas were primarily controlled by medium to large floods (Q10, Q30), which combined with reduced time intervals between ordinary floods ≥ Q2 most likely mobilized streambed sediments and limited the ability of vegetation to establish itself on bare gravel bars within the parafluvial zone. These findings can contribute to restoration action plans such as controlled flooding and sediment replenishments in the Sarine and other floodplain rivers of the Alps

Analyse spatio-temporelle de la morphologie des rivières en tresses par LiDAR aéroporté

Braided rivers are characterised by a complex network of several low-flow channels, highly mobiles in time and space, interspersed with gravel bars with or without sparse vegetation. Long term changes of braided rivers form complex floodplains composed of sedimentary deposits mosaics, which differ in term of spatial and time scales, in function of hydrologic forcing and sediment supply. Until the beginning of 2000s, the topographic monitoring of braided channels was restricted to irregularly spaced surveys limiting the morphologic investigation of braided river complexity. The recent development of airborne LiDAR (Ligth Detection And Ranging) allows rapid acquisition of 3D morphology of fluvial mosaic with high resolution and high precision over large areas. With LiDAR data, it is also possible to measure understorey topography and vegetation characteristics. The goal of this thesis is to use these new data to improve our understanding of braided channel morphological responses at different spatial and time scales. In a first time, two sequential airborne LiDAR surveys were used to reconstruct morphological changes of a 7-km-long braided river channel following a 14-year return period flood (Chapter 2). This was done on the Bès River, a tributary of the Bléone River in southeastern France. Results highlighted the importance of different data processing steps in sediment budget computation. This showed that surface matching and summary assessment of bathymetry from mean depth have both a considerable effect on the net sediment budget. Spatially distributed propagation of uncertainty based on surface conditions of the channel allows us to compute levels of detection of elevation changes for improving sediment budget and to product a comprehensive map of channel deformations. Analysis of these data shows that the braided channel pattern was highly disturbed by the flood owing to the occurrence of several channel avulsions. 54% of the pre-flood active channel was reworked by the flood. In a second time, LiDAR data were used to look at longitudinal signatures of cross-sectional morphology at the scale of several kilometers (Chapter 3). Airborne LiDAR surveys were disaggregated into 10 m-regularly space cross-sections to study longitudinal variation of different morphologic indicators (active channel width, Bed Relief index, number of channel). This study was done on 9 study reaches distributed on five braided rivers in Drôme, Drac and Bléone catchments (French Alps). One study reach was survey twice to look at the temporal change of cross-sectional morphology due to a 14-yr return period flood. First, these data highlighted the effect of braided river confinement/obstruction on morphologic signature with upstream widening pattern. Secondly, two characteristic wavelengths have been identified from these signals: 3-4 and 10 times the active channel width. The first could be link to the dynamics of macroforms. The second could be associated to the dynamics of megaforms and long term sediment transfer. Finally, airborne LiDAR data were associated with archived aerial photos to reconstruct floodplain formation and relate this geomorphic organisation with vegetation patch characters. This is achieved on 3 different braided rivers in French Alps with an increasing degree of activity: the Bouinenc Torrent, the Drôme River and the Bès River. This methodology allowed us to establish the timing of channel incision with the identification of two major periods: before 1948 and second part of 20th century. We highlighted that flood intensity controlled smoothed or brutal channel incision with high incision for Q50 flood and that large and medium floods induced lower channel widening in sediment supply limited conditions. These long term changes are playing a significant role to explain vegetation mosaics with a well-developed vegetated floodplain mainly composed of mature units following long term narrowing and incision. Rivers with higher activity show an equi-diversity of floodplain vegetation units. Finally, presence of shrubland patches seems to be good indicator of incision periods.Les rivières en tresses sont caractérisées par un réseau complexe de chenaux multiples très mobiles dans l’espace et dans le temps, séparés par des bancs sédimentaires pas ou peu végétalisés, qui sont émergés en période de basses et moyennes eaux. A long terme, en fonction du régime sédimentaire et hydrologique, ces rivières construisent des plaines alluviales complexes constituées d'une mosaïque d'unités correspondant à des échelles spatio-temporelles différentes. Jusqu’au début des années 2000, l’étude in situ de ces rivières était fondée sur des levés topographiques très discontinus dans l’espace, ce qui limitait le champ d’investigation de la complexité morphologique des lits en tresses. Le développement récent du LiDAR (Ligth Detection And Ranging) aérien permet une acquisition rapide de la morphologie 3D des mosaïques fluviales à de fines résolutions spatiales et sur de grandes étendues. Les données LiDAR permettent aussi de mesurer la topographie sous la végétation et de fournir des indicateurs de cette végétation. L'objectif de cette thèse a été d'utiliser ces nouvelles données pour améliorer la connaissance des réponses morphologiques des lits en tresses à différentes échelles spatio-temporelles. Dans un premier temps, 2 levés LiDAR séquentiels ont permis de détecter les changements morphologiques d’une tresse de 7 km survenus suite à une crue de période de retour 14 ans (Chapitre 2). Ces travaux ont été réalisés sur le site du Bès, un affluent de la Bléone. Les résultats ont mis en évidence l’importance des différentes étapes de traitement de l’information dans le calcul du bilan sédimentaire. Il apparaît que le réalignement des nuages de points séquentiels et que l’évaluation sommaire de la bathymétrie à partir d’une hauteur d’eau moyenne sont des étapes primordiales pour le calcul du bilan. La prise en compte de la variabilité spatiale de l’incertitude altimétrique en fonction des états de surface a permis d’établir des seuils critiques de détection du changements spatialement distribués dans la plaine d’inondation. Cette dernière étape a permis d’optimiser le calcul du bilan sédimentaire et de produire une cartographie robuste des déformations morphologiques (érosion et dépôt). L’exploitation des résultats a montré que le réseau des chenaux tressés a été profondément remanié pendant la crue, du fait de l’occurrence de nombreuses avulsions. L’estimation du taux de renouvellement des formes a permis de mettre en évidence qu’au moins 54% de la bande active a participé au transport solide pendant la crue. Dans un deuxième temps, les données LiDAR ont été utilisées pour caractériser la signature morphologique des lits en tresses à l’échelle plurikilométrique (Chapitre 3). L’extraction systématique de profils en travers de la bande de tressage a permis d’étudier les variations longitudinales de plusieurs métriques morphologiques (largeur de bande active, Bed Relief Index, nombre de chenaux) et d'établir des longueurs d'onde caractéristiques de ces signaux. L’analyse a porté sur un linéaire de plus de 25 km réparti sur 9 sites, dans les bassins versants de la Drôme, du Drac et de la Bléone. Le site du Bès a été levé deux fois pour étudier l'impact de la crue du période de retour 14 ans sur la signature morphologique. Premièrement, ces données mettent clairement en évidence l’effet du confinement de la tresse sur ses propriétés morphologiques avec entre autres un élargissement de la bande active à l'amont de ces zones. Deuxièmement, deux périodes caractéristiques ont été mises en évidence : autour de 3-4 et de 9-10 fois la largeur de la bande active. La période à 3-4 serait liée à la dynamique des macroformes (bancs élémentaires). La période à 10 pourrait être liée à la dynamique de transfert à long terme des sédiments et pourrait correspondre aux successions longitudinales des mégaformes sédimentaires. Finalement, les données de LIDAR aérien ont été couplées à une étude diachronique de photographies aériennes pour reconstruire l'historique de formation des différentes unités spatiales composant la plaine d'inondation et relier cette structure avec les caractéristiques des unités de végétation (Chapitre 4). 3 rivières en tresses ont été étudiées dans les Alpes françaises avec un degré croissant d'activité : le Bouinenc, la Drôme et le Bès. Cette méthodologie a permis de reconstruire les différentes phases d'incision du lit avec deux périodes majeurs : avant 1948 et seconde partie du 20ème siècle. Il a été montré que l'intensité des crues contrôle le caractère brutal des phases d'incision avec une incision forte pour les crues de période de retour 50 ans et que, d'autre part, les crues induisent des élargissements plus faibles de la bande active en cas d'apport sédimentaire déficitaire. Ces changements à long terme jouent un rôle significatif pour expliquer la mosaïque de la végétation de la plaine d'inondation avec une végétation bien développée et composée majoritairement d'unité matures dans le cas d'une rétraction et d'une incision sur le long terme. Les rivières plus actives présentent une diversité d'unité de végétation plus équilibrée. Enfin, la présence de lande arbustive semble être un bon indicateur des périodes d'incision

Step by step error assessment in braided river sediment budget using airborne LiDAR data

International audienceSequential airborne LiDAR surveys were used to reconstruct the sediment budget of a 7-km-long braided river channel in southeastern France following a 14-year return period flood and to improve its accuracy step by step. Data processing involved (i) surfacematching of the sequential point clouds, (ii) spatially distributed propagation of uncertainty based on surface conditions of the channel, and (iii) water depth subtraction from the digital elevation models based on water depths measured in the field. The respective influence of each processing step on sediment budget computation was systematically documented. This showed that surface matching and water depth subtraction both have a considerable effect on the net sediment budget. Although DEM of difference thresholding based on uncertainty analysis on absolute elevation values had a smaller effect on the sediment budget, this step is crucial for the production of a comprehensive map of channel deformations. A large independent data set of RTK-GPS checkpoints was used to control the quality of the LiDAR altimetry. The results showed that high density (7–9 points/m2) airborne LiDAR surveys can provide a very high level of detection of elevation changes on the exposed surfaces of the channel, with a 95% confidence interval level of detection between 19 and 30 cm. Change detection from LiDAR data revealed that 54% of the pre-flood active channel was reworked by the flood. The braided channel pattern was highly disturbed by the flood owing to the occurrence of several channel avulsions

Step by step error assessment in braided river sediment budget using airborne LiDAR data

International audienc

Step by step error assessment in braided river sediment budget using airborne LiDAR data

International audienceSequential airborne LiDAR surveys were used to reconstruct the sediment budget of a 7-km-long braided river channel in southeastern France following a 14-year return period flood and to improve its accuracy step by step. Data processing involved (i) surfacematching of the sequential point clouds, (ii) spatially distributed propagation of uncertainty based on surface conditions of the channel, and (iii) water depth subtraction from the digital elevation models based on water depths measured in the field. The respective influence of each processing step on sediment budget computation was systematically documented. This showed that surface matching and water depth subtraction both have a considerable effect on the net sediment budget. Although DEM of difference thresholding based on uncertainty analysis on absolute elevation values had a smaller effect on the sediment budget, this step is crucial for the production of a comprehensive map of channel deformations. A large independent data set of RTK-GPS checkpoints was used to control the quality of the LiDAR altimetry. The results showed that high density (7–9 points/m2) airborne LiDAR surveys can provide a very high level of detection of elevation changes on the exposed surfaces of the channel, with a 95% confidence interval level of detection between 19 and 30 cm. Change detection from LiDAR data revealed that 54% of the pre-flood active channel was reworked by the flood. The braided channel pattern was highly disturbed by the flood owing to the occurrence of several channel avulsions