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Semi-automatisation de l’extraction des anomalies de drainage. Application au centre de l’Atlas méridional de la Tunisie

Semi-automated extraction of drainage anomalies. Application to the center of the southern Atlas of Tunisia
Mehdi Ben Hassen, Benoît Deffontaines et Mohamed Moncef Turki
p. 3-14

Résumés

Les anomalies de drainage révèlent cartographiquement les alternances lithologiques et/ou les discontinuités structurales (failles actives ou non par exemple). C’est pourquoi elles sont considérées comme l’un des paramètres géo-morphométriques significatifs pour les études de géomorphologie structurale et néotectonique. Dans cet article, et afin de minimiser l’erreur effectuée par tout opérateur qui effectue une analyse manuelle de l’information, nous proposons une nouvelle méthode semi-automatique facilitant l’extraction des anomalies de drainage. Les données d’entrée de cette méthode sont la topographie du terrain et le réseau hydrographique. Ces données sont intégrées dans une série de géo-traitements informatiques à l’aide d’un système d’information géographique (SIG). Ainsi, plusieurs notions de la morphométrie sont exploitées pour accomplir cette tâche : interpolation des données topographiques, calcul de surface enveloppe sommitale, calcul de l’orientation de la pente, etc. Par la suite, et pour expérimenter l’efficacité de cette méthode, nous l’avons appliquée à la zone centrale de l’Atlas Méridional de la Tunisie connue par sa sismicité relativement importante. L’application de cette méthode nous a permis de localiser une forte concentration d’anomalies de drainage sur les flancs nord-est du Jebel Ben Younes, du Jebel Bou Ramli et du Jebel Orbata. La comparaison avec les modèles tectoniques déjà existants montre que les portions des drains sélectionnés sont situées à l’aplomb et à proximité de l’accident tectonique le plus important de la région : la faille de Gafsa. Ainsi, ces anomalies de drainage révèlent l’empreinte sur le relief d’un mouvement tectonique récent de cette faille déjà souligné par certains auteurs. De ce fait, on peut en déduire que la méthode exposée dans cet article est très efficace pour l’extraction des anomalies de drainage, ce qui peut être de grande utilité dans les études morphométriques.

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Notes de la rédaction

Article soumis le 26 mai 2013, accepté le 14 septembre 2013.

Texte intégral

Nous remercions Dr. Noamen Rebai, Dr. Tarek Slama (Faculté des Sciences de Tunis, Département de Géologie) et Dr. Herve Lahamy (Université de Calgary, Canada) pour leur participation à cet article. Nous remercions également les trois relecteurs anonymes pour leur contribution à améliorer ce manuscrit.

Introduction

1L’analyse des paramètres morphométriques est susceptible d’apporter un éclairage plus précis sur la morphodynamique d’un terrain étudié. L’analyse des anomalies de drainage est l’un des paramètres clefs de l’analyse morphostructurale. Les anomalies de drainage sont définies comme une déviation locale du drainage régional et/ou du style ou modèle de ruissellement et cela en accord avec la structure régionale et/ou topographique (Howard, 1967). Sur le terrain, ces formes peuvent se manifester sous plusieurs aspects et sous différentes formes : asymétrie des confluences, changements de direction, rectilinéarité, divergence anormale, changements typologique, etc. (Deffontaines et Chorowicz, 1991 ; Ollier et Pain, 2000). Ces anomalies de drainage peuvent avoir des origines structurales ou lithologiques (alternance roches dures et tendres) et peuvent être aussi induites par des phénomènes d’érosion (Deffontaines, 1990 ; Deffontaines et Chorowicz, 1991 ; Deffontaines et al., 1992 ; Angelier et Chen, 2002 ; Ramasamy et al., 2011 ; Bahrami, 2013).

2En effet, la néotectonique a une action directe sur le réseau hydrographique et a été de nombreuses fois évoquées pour l’étude de nombreux sites d’études comme c’est le cas observé et analysé par B. Comentale (1999) sur la montagne de Matese (Italie), qui montre que la néotectonique infligée à cette structure, engendrant ainsi son soulèvement, a radicalement désorganisé le réseau hydrographique. Dans ce même contexte et au Maroc, l’analyse du ré­seau hydrographique, de ses perturbations et de ses anomalies a permis à B. Deffontaines et al. (1992) de dévoiler l’existence de nouvelles failles. Ensuite, l’auteur a fait la distinction entre les failles actives et les faille anciennes, permettant ainsi une meilleure compréhension de la néotectonique du Maroc. De même, T. Slama (2008) a exploité les anomalies de drainage pour révéler l’existence d’une activité néotectonique bien concrétisée au niveau de J. Ech Chéhid (Tunisie). M. Ferry et al. (2007) se sont basés aussi sur ce concept pour démontrer, grâce aux anomalies de drainage observées sur les photographies aériennes de la zone d’étude, l’activité du segment de la faille de la « mer morte » situé dans la vallée jordanienne.

3Ainsi, la première partie de cet article propose une nouvelle méthode pour extraire les anomalies de drainage. Dans la seconde partie, cette méthode est appliquée sur une zone d’étude (centre de l’Atlas méridional de la Tunisie) pour vérifier son efficacité.

Inventaire des données

4Dans cette étude, nous avons utilisé deux types de données : topographiques et hydrographiques. Pour éviter tout problème lors de la superposition des couches des données et pour minimiser l’erreur induite, il est préférable et fortement recommandé que les données hydrographiques et topographiques aient la même source ou carte (même échelle, même projection spatiale, etc.). Pour accomplir cette analyse, nous avons vectorisé manuellement les courbes de niveau (avec une équidistance des courbes égale à 25 m) et le réseau hydrographique des deux cartes topographiques à l’échelle 1/100 000 (Gafsa et Sidi Aich) couvrant la zone d’étude.

5En plus de ces données, nous avons exploité le MNT SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) qui est le produit d’un projet commun entre l’Agence Nationale de l’Intelligence Geospatiale (NGA) et la NASA. L’objectif de ce projet est de produire, grâce à la technique de l’interférométrie radar et avec une longueur d’onde relativement courte (5,6 cm) de l’instrument SRTM, des données topographiques numériques couvrant la surface de la Terre : MNT SRTM. Durant la mission accomplie par la navette spatiale Endeavour en onze jours (11-22 février 2000), 12,3 Tbyte de données ont été collectées correspondant à une couverture de 119,51 millions de km², c’est-à-dire 99,97 % de la surface de la Terre. L’altitude de vol de la navette était de 233 km et l’inclinaison de la prise de vue est de 57° (Rabus et al., 2003). Les données SRTM sont disponibles en accès libre (CGIAR-CSI, http://srtm.csi.cgiar.org/​ ; USGS, http://srtm.usgs.gov/​) en trois secondes d’arc (environ 90 m de résolution) et sont fournis sous format de dalles de 1° x 1°. L’exactitude verticale de ces données d’altitude varie de 5 m à 10 m alors que l’exactitude horizontale varie entre 7 m et 13 m (Gorokhovich et Voustianiouk, 2006 ; Rodríguez et al., 2006).

6Pour pouvoir examiner la relation, si elle existe, entre la répartition spatiale des anomalies de drainage et la géologie de la zone, nous avons digitalisé la couverture géologique de la zone d’étude l’échelle 1/100 000 : carte de Gafsa (Slimane et al., 1991) et carte de Sidi Aich (Ouled Ghrib et al., 1995).

Méthodologie semi-automatique de l’extraction des anomalies de drainage

7Souvent, la détection des anomalies de drainage se fait manuellement sur une carte topographique en se basant sur la géométrie du réseau hydrographique et ses relations avec le relief régional. Mais la sélection manuelle des anomalies de drainage peut être biaisée de nombreuses façons : citons par exemple la densité élevée du réseau hydrographique, la complexité de définir le sens d’écoulement des drains (surtout dans les zones planes) ou encore l’imprécision lors de la détermination de l’angle que fait le drain avec la surface. Pour éviter ces imprécisions, nous avons opté pour une semi-automatisation de la sélection des anomalies de drainage.

8La méthode développée ici est fondée sur le principe que les drains présentant une anomalie correspondent aux segments du drainage s’écoulant obliquement et s’écartant des orthogonales des isohypses de la surface enveloppe des sommets et tous ceux qui coulent à contre-pente (Deffontaines et Chorowicz, 1991 ; Deffontaines, 1990, 2000 ; Dridri et Fedan, 2001). Pour définir les segments de drainages présentant une anomalie par rapport à la surface enveloppe sommitale, nous avons procédé selon le protocole détaillé sur la figure 1. Afin d’obtenir l’orientation régionale du terrain, nous avons commencé par calculer la surface enveloppe sommitale du relief qui peut être abordée en utilisant différentes méthodologies dont les données d’entrée peuvent être ponctuelles (e.g., points cotés), linéaires (e.g., courbes de niveau) ou matricielles (e.g., MNT ; Pannekoek, 1967 ; Prud’homme, 1972 ; Deffontaines, 1985, 1991 ; Deffontaines et al., 1992 ; Carvalho, 1995 ; Alouane, 1997 ; Deffontaines, 2000 ; Dridri et Fedan, 2001 ; Font et al., 2002). Dans cette étude, nous avons adopté la méthode qui propose d’appliquer à la surface topographique successivement trois types de filtrages matriciels (Slama, 2008) : 1) maximum altimétrique (avec une fenêtre matricielle mouvante FMM = 5 × 5 pixels) pour amplifier l’influence des points sommitaux et les plus élevés ; 2) filtrage médian (avec une FMM = 13 × 13 pixels) pour la génération altimétrique et élimination des zones de faiblesses topographiques ; 3) lissage matriciel (FMM = 10 × 10 pixels) pour le lissage altimétrique et l’élimination des irrégularités topographiques. À partir de cette carte de la surface enveloppe sommitale, on a calculé la carte d’orientation (ou d’exposition) qui représente la direction d’une pente selon la plus grande pente descendante (Green et Sibson, 1978 ; Peucker et al., 1979 ; McCullagh et Ross, 1980 ; Isaacson et Ripple, 1990 ; Chang et Tsai, 1991 ; Oksanen et Sarjakoski, 2005). Pour une altitude (H), la valeur d’exposition de pente (Ψ) peut se calculer selon cette équation (Skidmore, 1989) :

9Sous ArcGIS, le logiciel qu’on a utilisé pour accomplir cette tâche, l’exposition est mesurée dans le sens inverse des aiguilles d’une montre en degrés, de 0° (nord) à 360° (de nouveau nord), formant ainsi un cercle complet. La valeur de chaque cellule d’une grille d’exposition indique l’orientation de la pente de la cellule. Par la suite, cette carte d’orientation est convertie de son format raster original vers le format vectoriel (polygones) dont chaque polygone contiendra la valeur d’orientation du terrain (Ot).

10Dans le cas des drains « isolés », fréquemment rencontrés dans les zones plates, ou dans les zones de confusion où plusieurs drains se croisent en forme complexe, la distinction du sens d’écoulement peut paraître très compliquée. Le réseau hydrographique, extrait automatiquement à partir des données altimétriques SRTM, permet de résoudre cette ambiguïté et sert de référence puisque dans ce réseau de drainage, la vectorisation automatique des drains se fait toujours suivant l’écoulement. En effet, dans les cas comme le nôtre où les échelles des données sont presque équivalentes, les deux réseaux hydrographiques (manuel et automatique) possèdent une grande ressemblance dans l’allure des drains qui les composent et peuvent être même superposables (e.g., Che, 2005 ; Ben Hassen, 2012 ; Chen et al., 2012 ; Mukherjee et al., 2013). Cependant, ce réseau automatique ne peut pas être exploité en dehors de cette tâche et cela pour, au moins, deux raisons : premièrement, l’extraction automatiques considère qu’un changement de direction d’un vertex à un autre ne se fait qu’avec un angle de 45° (Che, 2005 ; Ben Hassen, 2012), ce qui peut causer un problème lors du calcul de la direction de l’écoulement du drain (De). Deuxièmement, l’extraction automatique de réseaux hydrographiques à partir du MNT peut masquer les anomalies de drainage puisqu’elle dépend uniquement de la topographie. Signalons que dans la littérature, plusieurs auteurs (e.g., O’Callaghan et Mark, 1984 ; Riazanoff et al., 1988 ; Che, 2005) ont adopté l’extraction automatique du réseau hydrographique à partir du MNT pour atteindre leurs objectifs. Pour cela, ils ont eu recourt à différentes méthodes à travers des extensions ou les logiciels spécialisés (e.g., TauDEM, Esrihydrologie, ArcHydro, WRAPHydroTools, HidroSIG, Riverx). Dans ce travail, on a fait appel à un algorithme dénommé D8 (Jenson et Domingue, 1988) qui est intégré dans l’extension ArcHydro Tools 9.1 (extension compatible avec ArcGIS). Cette méthode se décompose en cinq étapes : comblement des points bas du MNT ; calcul de la direction d’écoulement à partir des altitudes du MNT ; calcul de l’accumulation d’eau pour chaque cellule en fonction du sens d’écoulement ; extraction des surfaces drainées ; vectorisation du réseau de drainage.

11En se basant sur la couche vectorielle contenant le réseau de drainage résultante et la couche vectorielle d’orientation de la surface enveloppe sommitale (fig. 2), l’étape suivante consiste à affecter à chaque drain l’orientation de la surface enveloppe sommitale qu’il traverse. Cela est abordé grâce aux outils de géo-traitement du SIG et, précisément, par une opération d’intersection entre le réseau de drainage et la carte d’orientation vectorielle de la surface enveloppe sommitale. Signalons qu’un drain peut traverser des terrains d’orientations différentes : dans ce cas, le résultat de l’intersection aboutira à la subdivision de chaque drain en segments dont chacun à une valeur d’orientation de la surface enveloppe sommitale (Ot). Par la suite, chaque segment de drainage se verra attribuer sa valeur de direction. La direction des segments de drainage (Ds) est calculée en utilisant la plate-forme de développement d’ArcGIS 9.x en utilisant le script « polyline_Get_Azimuth_9x » développé par I. Tchoukanski (2003). Signalons que la direction des segments de drainage n’est pas forcément la même que le sens d’écoulement puisque la direction d’un arc est portée par le sens de la digitalisation. Pour cela, la vectorisation d’un drain doit se faire au sens d’écoulement de l’eau : le premier vertex est placé à l’extérieur du réseau (point amont) et le dernier vertex est le point de confluence (point aval). Ce principe est respecté lors de la production automatique du réseau hydrographique à partir du MNT. Ce principe n’a pas toujours été respecté lors de la vectorisation. Cette ambiguïté a pu être résolue en introduisant, dans la table attributaire, un indice qui matérialise la relation (similaire ou opposée) entre la direction du segment de drainage et le sens de l’écoulement : l’indice (1) est accordé aux drains dont les sens de vectorisation et d’écoulement sont les mêmes, et l’indice (2) s’ils sont de sens opposés (fig. 1). Ainsi, et en se basant sur cet indice, la valeur du sens d’écoulement (De) reste la même si la vectorisation est réalisée dans le même sens de l’écoulement. En revanche, si ce n’est pas le cas, une valeur de 180° est ajoutée à la direction de segment du drain pour avoir le sens d’écoulement (De). Par la suite, la table attributaire du réseau de drainage contient deux champs : la direction de l’écoulement du drain (De) et l’orientation de la surface enveloppe sommitale (Ot) qui la supporte. À partir de ces deux champs, un troisième champ est calculé en lui affectant la valeur de la différence entre les deux angles (De - Ot). En se référant à la définition de l’anomalie de drainage (Deffontaines, 1990, 2000 ; Dridri et Fedan, 2001), si la différence De - Ot est comprise entre -90° et 90°, 270° et 360° ou -360° et -270°, on admettra qu’il s’agit d’un écoulement normal (N) ; si ce n’est pas le cas, l’écoulement du drain est considéré comme anomalique (A). Quelques exemples illustrant ce principe sont présentés sur la figure 2.

Fig. 1 – La procédure développée pour l’extraction semi-automatique des anomalies de drainage.
Fig. 1 – The procedure developed for the extraction of semi-automatic drainage anomalies.

Fig. 1 – La procédure développée pour l’extraction semi-automatique des anomalies de drainage. Fig. 1 – The procedure developed for the extraction of semi-automatic drainage anomalies.

1 : format vecteur (ligne) ; 2 : format vecteur (polygone) ; 3 : format raster ; 4 : champ ; 6 : intégration dans le champ par calcul automatique ; 7 : intégration dans le champ par calcul manuel.
1: vector format (line); 2: vector format (polygon); 3: raster format; 4: field; 6: integration in the field by automatic calculation; 7: integration in the field by manual calculation.

Fig. 2 – Exemples de cas mettant en évidence le principe de la semi-automatisation de la détermination des anomalies (en admettant que la vectorisation soit réalisée dans le même sens que l’écoulement).
Fig. 2 – Examples of cases showing the principle of semi-automated determination of drainage anomaly (assuming vectorization is performed in the same direction of flow).

Fig. 2 – Exemples de cas mettant en évidence le principe de la semi-automatisation de la détermination des anomalies (en admettant que la vectorisation soit réalisée dans le même sens que l’écoulement). Fig. 2 – Examples of cases showing the principle of semi-automated determination of drainage anomaly (assuming vectorization is performed in the same direction of flow).

A : Drain présentant une anomalie. B : Drain à écoulement normal. De : direction de l’écoulement ; Ot   orientation de la surface enveloppe sommitale du terrain.
A: Drainage anomaly. B: Drain with normal flowing. De: flowing direction; Ot: orientation of summit level surface.

Application de l’extraction semi-automatique des anomalies de drainage à la zone centrale de l’Atlas Méridional de la Tunisie

12La zone d’application est située au centre de l’Atlas méridional de la Tunisie (fig. 3). Dans cette région, l’activité tectonique, étroitement associée aux phénomènes d’érosion, a profondément marqué le paysage à travers la sculpture de trois chaînes montagneuses principales : les chaînes de Gafsa, Moulares et Metlaoui. Ces chaînes, comme tous les autres reliefs de la Tunisie méridionale, correspondent à des structures plissées (Zargouni, 1985) dont les cœurs sont principalement occupés par des roches carbonatées du Crétacé (Swezey, 1996). Par ailleurs, cette zone est caractérisée par une sismicité relativement importante (Ben Hassen, 2012 ; Dlala et Hfaiedh, 1993 ; ISC, 2012).

13Pour calculer le modèle numérique du terrain utilisé dans cette analyse (fig. 4), les données des courbes de niveau vectorisées ont suivi une interpolation en utilisant l’algorithme géostatistique du krigeage, pleinement décrit dans la littérature (e.g., Matheron, 1963 ; Myers, 1994). Le choix de cet algorithme provient de sa grande fiabilité aux données réelles du terrain, de sa grande précision par rapport aux autres algorithmes (Dubrule, 1984 ; Zimmerman et al., 1999 ; Taupin, 2003 ; Rayburg et al., 2009 ; Tutmez et Hatipoglu, 2010 ; Pokhrel et al., 2013) et de sa capacité à tenir en compte à la fois de la distance et du degré de variation entre les points données (Chaplot et al., 2006).

Fig. 3 – Localisation de la zone d’étude : centre de l’Atlas méridional de la Tunisie.
Fig. 3 – Location of the study area: Center of the southern Atlas of Tunisia.

Fig. 3 – Localisation de la zone d’étude : centre de l’Atlas méridional de la Tunisie. Fig. 3 – Location of the study area: Center of the southern Atlas of Tunisia.

1 : zone d’étude ; 2 : frontières Algérie/Tunisie.
1: study area; 2: Algeria/Tunisia boundary.

Fig. 4 – Couverture topographique (MNT calculé à partir des courbes de niveau vectorisées à partir des cartes topographiques à l’échelle 1/100 000) et le réseau hydrographique de la zone d’étude (vectorisé à partir des mêmes cartes topographiques).
Fig. 4 – Topographic coverage (DEM calculated from topographic maps at scale 1:100,000) and the hydrographical network of the study area (extracted from the same topographic maps).

Fig. 4 – Couverture topographique (MNT calculé à partir des courbes de niveau vectorisées à partir des cartes topographiques à l’échelle 1/100 000) et le réseau hydrographique de la zone d’étude (vectorisé à partir des mêmes cartes topographiques). Fig. 4 – Topographic coverage (DEM calculated from topographic maps at scale 1:100,000) and the hydrographical network of the study area (extracted from the same topographic maps).

1 : altitude (en m) ; 2 : limites des cartes topographiques (échelle 1/100 000) ; 3 : réseau hydrographique.
1: elevation (in m); 2: limits of topographic maps (1 :100,000 scale); 3: hydrographical network.

Résultats et interprétations

14Après le passage par les différentes étapes de la figure 1, on aboutit à l’extraction semi-automatique du réseau des anomalies de drainage relative à la zone d’étude (fig. 5). Cette technique a permis d’isoler les tronçons de drain d’origine gravitaire de ceux qui sont plutôt conditionnés par des phénomènes tectoniques et structuraux ou sous l’influence de la lithologie du terrain.

15L’analyse statistique portant sur le réseau de drainage de la zone d’étude montre la dominance des drains dont l’écoulement est normal ; les anomalies de drainage ne représentent qu’environ 3 % de l’ensemble des drains (fig. 6). Pour valider l’efficacité de la méthode utilisée, les résultats obtenus ont été confrontés aux études antérieures (Zargouni, 1985 ; Slimane et al., 1991 ; Boukadi, 1994 ; Bedir, 1995 ; Ouled Ghrib et al., 1995 ; Zouari, 1995 ; Ben Hassen, 2012). Ainsi, la majeure partie des anomalies de drainage, extraites automatiquement à partir du réseau hydrographique, est située dans le couloir de décrochement de la faille de Gafsa et plus exactement sur les flancs nord-est du Jebel Orbata, du Jebel Ben Younes et du Jebel Bou Ramli (fig. 7), ce qui peut être dû à une activité néotectonique de la faille de Gafsa. Signalant que cette faille est un accident profond datant au moins du Mésozoïque et qui a été réactivé au cours du Cénozoïque (Zouari et al., 1990), entraînant la genèse de la Chaîne de Gafsa. La persistance de l’activité de cette faille peut être démontrée par l’activité sismique de la zone d’étude. En effet, d’après le catalogue de l’INM (Institut national de la météorologie de Tunis), entre 1977 et 2010, le secteur a connu plusieurs événements sismiques de magnitude moyenne égale à 4. Les épicentres de ces séismes s’alignent suivant une direction NW-SE et se concentrent dans le couloir de décrochement de la faille de Gafsa (fig. 7). De plus, l’étude élaborée par M. Ben Hassen (2012) confirme l’activité de cette faille en se basant sur l’analyse de quatre autres paramètres morphométriques : la topographie résiduelle, les analyses hypsométriques, les courbures maximales et la rugosité du relief.

16Dans la zone d’étude, la néotectonique n’est pas la seule responsable de la mise en place des anomalies de drainage. En effet, en superposant les anomalies de drainage à la carte géologique au 1/100 000 de la zone d’étude, on remarque que certains drains présentant une anomalie peuvent être liés directement à l’influence de la lithologie des roches comme c’est le cas dans Jebel Majoura (fig. 7). Effectivement, la base de cette structure est occupée par des roches résistantes : barres calcaro-dolomitique de la formation « Gattar » datant du Cénomanien supérieur – Turonien inférieur (Ouled Ghrib et al., 1995). Ceci peut former une barrière naturelle contre l’écoulement gravitaire des drains, d’où l’existence d’anomalies de drainage. D’autres anomalies de drainage, comme celle de Jebel Sehib (fig. 7), sont moins liées à la structure géologique qu’à la propagation de l’erreur durant les traitements (interpolation des données topographiques, calcul de l’orientation, calcul de la surface enveloppe sommitale, etc.), ou à la petite échelle (1/100 000) des cartes topographiques et géologiques qui peut nuire à l’observation de détail.

Fig. 5 – Réseau hydrographique dans la zone d’étude et anomalies de drainage extraites par cette méthode.
Fig. 5 – Hydrographical network of the study area and drainage anomalies extracted using the proposed method.

Fig. 5 – Réseau hydrographique dans la zone d’étude et anomalies de drainage extraites par cette méthode. Fig. 5 – Hydrographical network of the study area and drainage anomalies extracted using the proposed method.

1 : drain présentant une anomalie ; 2 : réseau hydrographique.
1 : drainage anomaly; 2: hydrographical network.

Fig. 6 – Variation du nombre de drains de la zone d’étude suivant leurs valeurs de « De - Ot » (différence entre le sens d’écoulement de l’eau et l’orientation du terrain) et limites entre les domaines anomaliques et normaux.
Fig. 6 – Variation of number of drains in the study area according to their values of “De-Ot” (the difference between the flowing direction and ground orientation) and the boundaries between normal and anomalic domains.

Fig. 6 – Variation du nombre de drains de la zone d’étude suivant leurs valeurs de « De - Ot » (différence entre le sens d’écoulement de l’eau et l’orientation du terrain) et limites entre les domaines anomaliques et normaux. Fig. 6 – Variation of number of drains in the study area according to their values of “De-Ot” (the difference between the flowing direction and ground orientation) and the boundaries between normal and anomalic domains.

Fig. 7 – La relation entre l’existence des anomalies de drainage, les données sismologiques instrumentales pendant la période 1975-2010 et la couverture tectonique de la zone d’étude.
Fig. 7 – Relationship between the existence of drainage anomalies, the instrumental seismological data for the period 1975-2010, and the tectonic map of the study area.

Fig. 7 – La relation entre l’existence des anomalies de drainage, les données sismologiques instrumentales pendant la période 1975-2010 et la couverture tectonique de la zone d’étude. Fig. 7 – Relationship between the existence of drainage anomalies, the instrumental seismological data for the period 1975-2010, and the tectonic map of the study area.

1 : magnitude sismique ; 2 : drain présentant une anomalie ; 3 : failles (Boukadi, 1994) ; 4 : failles (d’après les cartes géologiques à l’échelle du 1/100 000).
1: earthquake magnitude; 2: drainage anomaly; 3: fault (Boukadi, 1994); 4: fault (from geological maps at 1:100,000 scale).

Source : Institut National de Météorologie de Tunisie.
Source: National Institute of Meteorology - Tunisia.

Conclusion 

17Cet article expose une nouvelle méthode pour l’extraction semi-automatique des anomalies de drainage. Après avoir exposé le principe et la base de la méthode, nous avons détaillé la démarche technique élaborée dans l’étude. La méthode a été appliquée à la zone centrale de l’Atlas Méridional de la Tunisie. Les résultats montrent que le réseau de drainage, dans la zone étudiée, se distingue par une réponse morphométrique spécifique et anomalique sur les flancs nord-est du Jebel Bou Ramli, du Jebel Ben Younes et du Jebel Orbata. Nous l’interprétons comme le résultat d’une importante activité morphodynamique ou morpho-neotectonique. En effet, grâce à la corrélation de nos résultats avec les travaux antérieurs conduits sur la tectonique de la région et les données sismologiques instrumentales de la zone d’étude, nous avons pu déduire que la fréquence des anomalies de drainage peut surgir après la réactivation d’une (ou plusieurs) branche(s) de la faille de Gafsa, induisant ainsi la déformation du relief et la mise en place de ces anomalies. Par conséquent, la méthode de l’extraction des anomalies de drainage, détaillée dans cet article, paraît très prometteuse et peut être de grande utilité dans les études morpho-structurale et morpho-néotectonique.

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Annexe

Abridged English version

The analysis of morphometric parameters may to provide a more accurate insight into the morphodynamics of a studied terrain. The analysis of drainage anomalies is one of the key parameters of the morphostructural analysis. The drainage anomalies are defined as a local deviation of the regional drainage and / or of the style or runoff model and this in agreement with the regional and/or topographic structure (Howard, 1967). These drainage anomalies may have structural or lithological origins and can also be induced by erosion (Deffontaines, 1990; Deffontaines and Chorowicz, 1991; Deffontaines et al., 1992; Angelier and Chen, 2002; Ramasamy et al., 2011; Bahrami, 2013). Indeed, several research studies (e.g., Comentale, 1999; Deffontaines et al., 1992; Slama, 2008; Ferry el al., 2007) have shown that the neotectonic has a direct interaction with hydrographic network.

Often, the detection of drainage anomaly is done manually on a topographic map based on the geometry of the hydrographic network and its relationship with the regional relief. But the manual selection of drainage anomalies may be biased in many ways: for example the high drainage density, the complexity of defining the flow direction of drains (especially in flat areas) or imprecision in the determination of the angle between drain and surface. So, to avoid these inaccuracies, we opted for a semi-automated selection of drainage anomalies.

The method developed here is based on the principle that the anomalic drains correspond to the obliquely flowing drainage and deviating from orthogonal isohypses of the summit level map and all those flowing against the slope (Deffontaines and Chorowicz, 1991; Deffontaines, 1990, 2000; Dridri and Fedan, 2001).To define all segments with abnormal drainage, we proceeded according to the detailed protocol in figure 1.

To obtain the regional orientation of the ground, we began by calculating the summit level map (Pannekoek, 1967; Prud’homme, 1972; Deffontaines, 1985, 1991; Deffontaines et al., 1992; Carvalho, 1995; Alouane, 1997; Deffontaines, 2000; Dridri and Fedan, 2001; Font et al., 2002). From this map, we calculated the orientation map (or exposure) that represents the direction of a slope in the most downward slope (Green and Sibson, 1978; Peucker et al., 1979; McCullagh and Ross, 1980; Isaacson and Ripple, 1990; Chang and Tsai, 1991; Oksanen and Sarjakoski, 2005).

Thereafter, the orientation map is converted from his original raster format to vector format (polygons) with each polygon contain the orientation value of the terrain (Ot).

Based, both, on the vector layer containing the resultant drainage network and the layer of the orientation of summit level map (Fig. 2), the next step is to set, for each drain, the orientation of the summit level map that it crosses. This is tackled using the geo-processing tools of GIS and precisely by an intersection of the drainage network and the vector layer of the summit level map. Note that a drain can cross the land with different orientations: in this case, the result of the intersection will lead to the subdivision of each drain in many segments, each with a value of the summit level map (Ot). So, each segment of drainage will be assigned the value of direction. Subsequently, the attribute table of the drainage network contains two fields: the flow direction of the drain (De) and the orientation of the summit level map (Ot) that supports it. From these two fields, a third field is calculated by assigning the value of the difference between the two angles (De - Ot). Referring to the definition of drainage anomaly (Deffontaines, 1990, 2000 ; Dridri and Fedan, 2001), when the difference (De – Ot) is between -90° and 90°, 270° and 360° or -360° and -270 °, we will admit that this is a normal flow (N);. But, if this is not the case, the flow of the drain is considered as a drainage anomaly (A). Some examples of this principle are shown in figure 2.

To evaluate the efficiency of the proposed method, the study area selected is the central area of the southern Atlas of Tunisia known for its relatively high seismicity (Ben Hassen, 2012 ; Dlala et Hfaiedh, 1993 ; ISC, 2012).

Thus, after crossing by the different steps of figure 1, we obtain the semi-automatic extraction of drainage anomalies network on the study area (fig. 5).

The statistical analysis of the drainage network of the study area shows the dominance of drains which flow is normal; drainage anomalies represent only about 3% of all drains (fig. 6). Through the correlation of our results with previous studies realized on the tectonics of the region and instrumental seismological data of the study area (Zargouni, 1985; Slimane et al., 1991; Boukadi, 1994; Bedir, 1995; Ouled Ghrib et al., 1995; Zouari, 1995; Ben Hassen, 2012), we can deduce that most of the drainage anomalies, automatically extracted from the hydrographic network is located near the dextral strike-slip of the Gafsa fault, and more precisely on the northeast flanks of Jebel Orbata, Jebel Ben Younes and Jebel Bou Ramli (fig. 7). It may reflect a reactivation of one (or several) branch (es) of the Gafsa fault, thus inducing the deformation of the relief and the development of these anomalies. Consequently, the method of extraction of drainage anomalies, advanced in this paper, appears highly effective and can have utility in morpho-structural and morphoneotectonic studies.

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Table des illustrations

URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/10441/img-1.png
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Titre Fig. 1 – La procédure développée pour l’extraction semi-automatique des anomalies de drainage. Fig. 1 – The procedure developed for the extraction of semi-automatic drainage anomalies.
Légende 1 : format vecteur (ligne) ; 2 : format vecteur (polygone) ; 3 : format raster ; 4 : champ ; 6 : intégration dans le champ par calcul automatique ; 7 : intégration dans le champ par calcul manuel.1: vector format (line); 2: vector format (polygon); 3: raster format; 4: field; 6: integration in the field by automatic calculation; 7: integration in the field by manual calculation.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/10441/img-2.png
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Titre Fig. 2 – Exemples de cas mettant en évidence le principe de la semi-automatisation de la détermination des anomalies (en admettant que la vectorisation soit réalisée dans le même sens que l’écoulement). Fig. 2 – Examples of cases showing the principle of semi-automated determination of drainage anomaly (assuming vectorization is performed in the same direction of flow).
Légende A : Drain présentant une anomalie. B : Drain à écoulement normal. De : direction de l’écoulement ; Ot   orientation de la surface enveloppe sommitale du terrain.A: Drainage anomaly. B: Drain with normal flowing. De: flowing direction; Ot: orientation of summit level surface.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/10441/img-3.png
Fichier image/png, 197k
Titre Fig. 3 – Localisation de la zone d’étude : centre de l’Atlas méridional de la Tunisie. Fig. 3 – Location of the study area: Center of the southern Atlas of Tunisia.
Légende 1 : zone d’étude ; 2 : frontières Algérie/Tunisie.1: study area; 2: Algeria/Tunisia boundary.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/10441/img-4.png
Fichier image/png, 2,6M
Titre Fig. 4 – Couverture topographique (MNT calculé à partir des courbes de niveau vectorisées à partir des cartes topographiques à l’échelle 1/100 000) et le réseau hydrographique de la zone d’étude (vectorisé à partir des mêmes cartes topographiques). Fig. 4 – Topographic coverage (DEM calculated from topographic maps at scale 1:100,000) and the hydrographical network of the study area (extracted from the same topographic maps).
Légende 1 : altitude (en m) ; 2 : limites des cartes topographiques (échelle 1/100 000) ; 3 : réseau hydrographique. 1: elevation (in m); 2: limits of topographic maps (1 :100,000 scale); 3: hydrographical network.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/10441/img-5.png
Fichier image/png, 1,5M
Titre Fig. 5 – Réseau hydrographique dans la zone d’étude et anomalies de drainage extraites par cette méthode. Fig. 5 – Hydrographical network of the study area and drainage anomalies extracted using the proposed method.
Légende 1 : drain présentant une anomalie ; 2 : réseau hydrographique.1 : drainage anomaly; 2: hydrographical network.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/10441/img-6.png
Fichier image/png, 1,7M
Titre Fig. 6 – Variation du nombre de drains de la zone d’étude suivant leurs valeurs de « De - Ot » (différence entre le sens d’écoulement de l’eau et l’orientation du terrain) et limites entre les domaines anomaliques et normaux. Fig. 6 – Variation of number of drains in the study area according to their values of “De-Ot” (the difference between the flowing direction and ground orientation) and the boundaries between normal and anomalic domains.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/10441/img-7.png
Fichier image/png, 311k
Titre Fig. 7 – La relation entre l’existence des anomalies de drainage, les données sismologiques instrumentales pendant la période 1975-2010 et la couverture tectonique de la zone d’étude. Fig. 7 – Relationship between the existence of drainage anomalies, the instrumental seismological data for the period 1975-2010, and the tectonic map of the study area.
Légende 1 : magnitude sismique ; 2 : drain présentant une anomalie ; 3 : failles (Boukadi, 1994) ; 4 : failles (d’après les cartes géologiques à l’échelle du 1/100 000).1: earthquake magnitude; 2: drainage anomaly; 3: fault (Boukadi, 1994); 4: fault (from geological maps at 1:100,000 scale).
Crédits Source : Institut National de Météorologie de Tunisie.Source: National Institute of Meteorology - Tunisia.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/10441/img-8.png
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Pour citer cet article

Référence papier

Mehdi Ben Hassen, Benoît Deffontaines et Mohamed Moncef Turki, « Semi-automatisation de l’extraction des anomalies de drainage. Application au centre de l’Atlas méridional de la Tunisie », Géomorphologie : relief, processus, environnement, vol. 20 - n° 1 | 2014, 3-14.

Référence électronique

Mehdi Ben Hassen, Benoît Deffontaines et Mohamed Moncef Turki, « Semi-automatisation de l’extraction des anomalies de drainage. Application au centre de l’Atlas méridional de la Tunisie », Géomorphologie : relief, processus, environnement [En ligne], vol. 20 - n° 1 | 2014, mis en ligne le 01 janvier 2016, consulté le 27 juin 2017. URL : http://geomorphologie.revues.org/10441 ; DOI : 10.4000/geomorphologie.10441

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Auteurs

Mehdi Ben Hassen

Université Paris-Est Marne-la-Vallée – Bâtiment IFI – Laboratoire de Géomatique, Télédétection et Modélisation des Connaissances – 5, bd Descartes – 77454 Marne-la-Vallée – France. Université de Tunis El Manar – Faculté des Sciences de Tunis – Département de Géologie – Campus Universitaire – 2092 El Manar – Tunis – Tunisie (mahdigeo2002@yahoo.fr).

Benoît Deffontaines

Université Paris-Est Marne-la-Vallée – Bâtiment IFI – Laboratoire de Géomatique, Télédétection et Modélisation des Connaissances – 5, bd Descartes – 77454 Marne-la-Vallée – France (benoit.deffontaines@univ-mlv.fr). Laboratoire de Géomatique Appliquée – Ecole Nationale des Sciences Géographiques – 6-8, avenue Blaise Pascal – 77455 Noisy-Champs Cedex 2 – France.

Articles du même auteur

Mohamed Moncef Turki

Université de Tunis El Manar – Faculté des Sciences de Tunis – Département de Géologie – Campus Universitaire – 2092 El Manar – Tunis – Tunisie (mohamedmoncef.turki@fst.rnu.tn).

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Droits d’auteur

© Groupe français de géomorphologie

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