Identification des lineaments geologiques par traitement d'images satellitaires : cas du territoire de Masisi (Nord-Kivu)

ANNEE ACADEMIQUE : 2021-2022

REPUBLIQUE DEMOCRATIQUE DU CONGO
MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET UNIVERSITAIRE
UNIVERSITE DE KINSHASA

FACULTE DE PETROLE, GAZ ET ENERGIES RENOUVELABLES

DEPARTEMENT DES SCIENCES DE BASE

IDENTIFICATION DES LINEAMENTS
GEOLOGIQUES PAR TRAITEMENT D'IMAGES
SATELLITAIRES : CAS DU TERRITOIRE DE
MASISI (NORD-KIVU)

Par MUZALIA MBALE Moise

Diplômé d'Etat

Travail de Fin de Cycle présenté en vue de l'obtention du titre de gradué en Pétrole, Gaz et Energies Renouvelables

Directeur : Prof.Dr. Albert MBATA Encadreur : Assistant Jonathan MUSITU

i

EPIGRAPHE

« L'escalier de la science est l'échelle de Jacob, il ne s'achève qu'aux pieds de Dieu. »

Albert Einstein

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Dédicace

Je dédie ce travail aux personnes qui me sont les plus chères dans ma modeste vie :

- A mes parents qui m'ont toujours soutenu en toutes circonstances. Les mots ne décriront jamais assez ce que vous représentez dans ma vie. Vous êtes un vrai cadeau que Dieu m'a donné.

- A mes frères et soeurs que j'aime de tout mon coeur. J'avoue que j'ai de la chance de vous avoir. C'est de votre existence que je puise l'amour qui me comble. Je suis impatient que nous soyons réunis à nouveau.

- A tous ceux qui ont toujours cru en moi : vous êtes spéciaux dans mon coeur puisqu'en moi vous avez admiré ce que les autres ont ignoré. Avec l'aide de Dieu et avec tout votre amour, nous atteindrons ce que nous avons toujours espéré.

Moise MUZALIA

iii

Table des matières

Table des matières iii

Liste des figures v

Liste des tableaux v

Sigles et abréviations vi

Avant-propos vii

Remerciements viii

Introduction 1

1. Généralités et considérations générales 3

1.1. Cadre d'étude 3

1.1.1. Situation géographique 3

1.1.2. Relief et climat 3

1.1.3. Hydrographie 4

1.1.4. Sol, sous-sol et végétation 4

1.2. Notions fondamentales sur les linéaments 5

1.2.1. Définition 5

1.2.2. Origine des linéaments 5

1.2.3. Exemples de quelques linéaments 6

1.3. Notions fondamentales sur la télédétection 7

1.3.1. Principe de base de la télédétection 7

1.3.2. Rayonnement électromagnétique 8

1.3.3. Interaction rayonnement-atmosphère 9

1.3.4. Capteurs 10

1.3.5. Images matricielles 10

2. Matériels et méthodes 13

2.1. Matériels 13

2.2. Méthodologie 13

2.2.1. Acquisition d'images de la zone d'étude 14

2.2.2. Traitement d'images 14

3. Résultats et discussions 20

iv

3.1. Corrections radiométriques 20

3.2. Création de la bande composite 20

3.3. Création des néo-canaux par l'analyse en composantes principales (CP) 21

3.4. Rehaussement de l'image par Sobel 23

3.5. Filtrage de l'image Sobel par la convolution directionnelle 23

3.6. Extraction automatique des linéaments 25

3.6.1. Nombre et longueur totale des linéaments selon les directions 27

3.7. Validation des linéaments 28

3.7.1. D'après les modèle hydrographique et hydrologique 28

3.7.3. D'après l'image DEM 29

3.8. Carte finale des linéaments 29

3.8 Orientation des linéaments 30

3.8.1 Les rosaces directionnels (rose diagrams) 30

3.9 Carte de la densité des linéaments 31

Conclusion 32

Bibliographie 33

V

Liste des figures

FIGURE 1.LIMITES DE LA ZONE D'ETUDE 3

FIGURE 2. LES TYPES DE FAILLES 6

FIGURE 3. LES TYPES DE PLIS 7

FIGURE 4. ETAPES DU PROCESSUS DE TELEDETECTION 8

FIGURE 5.LE DOMAINE VISIBLE 9

FIGURE 6. IMAGE NUMERIQUE BINAIRE 11

FIGURE 7. IMAGE GRAY SCALE 11

FIGURE 8. PLAN DE TRAITEMENT 13

FIGURE 9. IMAGE SATELLITE GRAY SCALE DE LA ZONE D'ETUDE 14

FIGURE 10. APPLICATION D'UNE CONVOLUTION SUR UNE IMAGE 17

FIGURE 11. CORRECTIONS RADIOMETRIQUES.. 20

FIGURE 12. BANDE COMPOSITE EN COULEURS NATURELLES (B4-B3-B2) 20

FIGURE 13. BANDE COMPOSITE EN FAUSSES COULEURS (B7-B6-B2) 21

FIGURE 14. LES COMPOSANTES PRINCIPALES. 22

FIGURE 15. IMAGE SOBEL DE CP1 23

FIGURE 16. FILTRAGES DIRECTIONNELS. 24

FIGURE 17.PARAMETRES UTILISES POUR L'EXTRACTION AUTOMATIQUE DES LINEAMENTS 25

FIGURE 18. LINEAMENTS EXTRAITS DANS LES DIRECTIONS DE 0°, 45° , 90° ET 135°. 26

FIGURE 19. LINEAMENTS FILTRES POUR TOUTES LES 4 DIRECTIONS CHOISIES 27

FIGURE 20. LINEAMENTS SUIVANT L'ALLURE DES COURS D'EAU 28

FIGURE 21. LINEAMENTS SUIVANT LE MODELE HYDROLOGIQUE 28

FIGURE 22.CONFRONTATION AVEC LE DEM 29

FIGURE 23. CARTE FINALE DES LINEAMENTS 29

FIGURE 24.ROSE DIAGRAM TENANT COMPTE DES DIRECTIONS DES LINEAMENTS 30

FIGURE 25.ROSE DIAGRAM TENANT COMPTE DES LONGUEURS DES LINEAMENTS 30

FIGURE 26. CARTE DE LA DENSITE DES LINEAMENTS 31

Liste des tableaux

TABLEAU 1.DOMAINES DU RAYONNEMENT IR 9

TABLEAU 2. CARACTERISTIQUES DES IMAGES PAR BANDE 14

TABLEAU 3. MATRICES DE CONVOLUTION UTILISEES 18

TABLEAU 4. STATISTIQUES D'INFORMATIONS DES BANDES 21

TABLEAU 5. STATISTIQUE DES LINEAMENTS DE LA ZONE D'ETUDE 27

vi

Sigles et abréviations

B : Bande

CCT : Centre Canadien de Télédétection

CP : Composante principale

DEM : Digital Elevation Model

E : Est

IR : Infrarouge

MNT : Modèle Numérique de Terrain

N : Nord

OLI : Operation Land Imager

PCA : Principal Component Analysis

R-V-B : Rouge-Vert-Bleu

S : Sud

U.S : United State

W : Ouest

vii

Avant-propos

Dans le domaine de l'exploration pétrolière, entre la phase documentaire et le premier forage d'exploration, plusieurs techniques sont utilisées et corrélées afin de maximiser les chances de trouver du pétrole dans un bassin sédimentaire. Certaines de ces techniques consistent à l'identification des structures géologiques pouvant piéger les hydrocarbures.

Que ce soient les pièges structuraux (failles, plis, etc.) ou stratigraphiques, l'explorateur devra utiliser des méthodes appropriées afin de déceler ces structures. L'une des techniques classiques l'application des méthodes géophysiques à partir desquels on peut faire une échographie du sous-sol. A part la géophysique, une autre technique consiste, non à caractériser la constitution et la géométrie du sous-sol, mais à observer le sol à partir des plateformes, tout en caractérisant certains paramètres : il s'agit de la télédétection spatiale.

Grâce à la télédétection, plusieurs opérations peuvent être effectuées en exploration pétrolière : on peut dénicher une dysmigration, une faille tectonique, un anticlinal (par son plan axial), etc. Tous ces éléments présentent un intérêt particulier en exploration pétrolière, mais dans ce travail, nous nous sommes intéressés particulièrement aux éléments qui constituent des structures.

Les failles et les plis sont des structures qui ont pour cause la tectonique des plaques. Lors de leur formation, il peut se produire des répercussions en surface formant ainsi des traces décelables par la technique de la télédétection. Ces traces sont des linéaments géologiques. Notre travail de fin de cycle de graduat consistera ainsi à l'utilisation de la télédétection pour l'identification des linéaments géologiques, la zone d'étude étant le territoire de MASTS1.

L'effectuation du présent travail n'aura pas été sans difficulté notamment quant à ce qui concerne les données géoscientifiques existantes sur la zone d'étude : si les anciennes données (datant de l'époque belge) sont rares, les données récentes sur ladite zone sont quasi-inexistantes et peu authentiques.

viii

Remerciements

Je tiens avant tout à remercier le Seigneur Jésus-Christ pour toutes ses bontés quotidiennes dans ma modeste vie. Il est mon Dieu, je suis sa créature et pourtant à chaque pas que j'ai franchi, il ne m'a jamais abandonné. Et par-dessus tout, aujourd'hui je peux crier fièrement que je suis son enfant, ô quelle grâce ! Gloire et louange lui soient rendues.

Je remercie également monsieur le Professeur Albert MBATA pour le temps qu'il a sacrifié afin de travailler avec moi en tant que directeur et surtout pour son implication remarquable dans l'effectivité de ce travail. Par lui, j'ai appris tellement de choses aussi scientifiquement que civiquement.

Je ne manquerai pas de remercier également mon encadreur, monsieur l'Assistant Jonathan MUSITU pour son accompagnement tout au long de la rédaction de ce travail. Grâce à sa modestie et son savoir-faire, il a été simple de réaliser ce travail.

Enfin je remercie toute personne qui, de près ou de loin, a contribué à la réalisation de ce travail, particulièrement :

- Maman Patricia KIKWAYA MAGHOMA pour tout ce qu'elle a fait pour moi depuis le début de mon cursus académique. Grâce à son soutien et son grand coeur, elle a été une véritable mère pour mo1.

- Mes frères Poly et Jospin MUZALIA ainsi que mes soeurs YUNASI et Sandra MUZALIA pour leur soutien. Grâce à leur présence, je ne me suis pas senti seul dans cette immense ville qui ne m'est pas natale.

- Mon groupe d'étude KNOWLEDGE SCIENTIFIC CLUB qui regorge de grands talents intellectuels notamment Destin NGUOMOJA, Ali MASUDI, Joel MAKANA, Pierrot KASONGA, Gloire KIHUMBU, Jonathan MUKUNA, Alain KIDIATA, Raphael KALALA. Leurs idées m'auront été utiles.

Moise MUZALIA

1

Introduction

Depuis des temps géologiques, la croûte terrestre n'est pas restée intacte : elle a connu des changements importants se manifestant notamment par différents mouvements des plaques lithosphériques. Ainsi, les roches composant l'écorce terrestre ont été modifiées en fonction de leurs propriétés mécaniques : certaines ont été plissées, d'autres ont connu des fractures, etc. Toutes ces modifications ne sont pas restées sans conséquences. A partir de ces dernières, matérialisées par les données géologiques récoltées, il est possible d'obtenir le plus de renseignements possibles sur les mouvements des plaques. Ces renseignements sont, dans la plupart des cas, fournis par la lithologie d'une part, et les linéaments géologiques d'autre part (Milnitchouk & Arabadji, 1979, cités dans Lacina, 1996).

Les linéaments géologiques sont des éléments qui renseignent en surface, sur la présence des phénomènes s'étant déroulés en profondeur et se matérialisant par des failles, des plis ou encore des contacts géologiques. L'intérêt que présentent toutes ces structures est très capital dans divers domaines. La cartographie des linéaments est de grande utilité en exploration minière ou pétrolière, en sismologie, en hydrologie, etc. Elle est facilitée par les données de la télédétection grâce à laquelle les cartographes obtiennent une vue globale de la surface de la terre (Dubois, 1999).

La télédétection permet de recueillir les données de différentes régions, accessibles ou inaccessibles. Les principaux obstacles, souvent d'origine naturelle, sont les rivières, les montagnes, les forêts denses ou encore une grande superficie de la zone à étudier (De Sève et Desjardins, 1994, cités dans Dubois, 1999).

Cependant certains facteurs peuvent nuire à l'identification des linéaments par télédétection. Il peut s'agir de la couverture du sol par la végétation ou par des dépôts postérieurs à la mise en place des linéaments, de l'occupation du sol, de la résolution des capteurs satellitaires, de l'orientation de la source d'éclairement, etc.

Dans le cadre de ce travail, la zone d'étude choisie est le territoire de Masisi. C'est une région relativement vaste, avec un paysage caractérisé par un couvert végétal permanent ainsi qu'une multitude de collines. Cette dernière caractéristique pourrait résulter des phénomènes tectoniques qui génèrent des linéaments géologiques.

Sur le plan géoscientifique, la zone d'étude est encore très peu explorée d'où une insuffisance des données qui auraient permis d'obtenir des résultats plus complets

2

de notre démarche. Comment pallier à ce manque de données ? Après extraction des linéaments, les résultats obtenus contiennent de faux linéaments confondus aux vrais, c'est-à-dire les linéaments géologiques. Comment écarter ces faux linéaments dans les résultats ? C'est de cette manière que se décline la problématique de ce travail.

Pour aboutir aux résultats, les principaux outils utilisés sont des logiciels informatiques au travers de leurs différents modules et applications. Ils ont permis d'effectuer divers traitements sur les images satellites de la zone afin d'en extraire les linéaments et même de les valider. Ces traitements qu'on aura à détailler dans la suite sont principalement la création de nouveaux canaux, le rehaussement de l'image, l'extraction des linéaments, leur validation comparativement aux différents modèles numériques et enfin la réalisation de la carte des linéaments.

L'introduction et la conclusion mises à part, l'essentiel du travail s'articule en trois parties : la première consiste la description (relativement appauvrie par la carence des données géoscientifiques) de la zone d'étude ainsi que des considérations théoriques sur les linéaments et la télédétection. La deuxième partie traite des matériels utilisés ainsi que de la méthodologie empruntée pour aboutir aux résultats et enfin, la dernière partie est une présentation des résultats obtenues après l'application des méthodes décrites dans la deuxième partie.

3

1. Généralités et considérations générales

1.1. Cadre d'étude