Drones : une technologie en développement et de nouveaux usages au service des territoires

 

 

Les utilisations possibles du drone se multiplient au fil des améliorations technologiques. Le Cerema développe les méthodes de pilotage, et travaille également sur le traitement des nombreuses données collectées par drone.

Au Pérou, des villages incas ensevelis à la suite d’une violente éruption du volcan Huaynaputina sortent de terre progressivement, dans le cadre d’un vaste projet de développement économique et touristique de la région autour du patrimoine Inca. Un circuit appelé la Ruta des Huayruro est mis en place, sur les traces archéologiques de l'ancienne civilisation. 

Au cours du projet de recherche Huayruro, des chercheurs de l’équipe de recherche ENDSUM (Evaluation non destructives des structures et des matériaux) du Cerema ont utilisé des drones pour cartographier les villages ensevelis, afin de faciliter les fouilles archéologiques grâce à un modèle numérique de Terrain très fin. 

Le drone, qui peut être équipé de capteurs et permet d’observer le sol ou des structures de manière rapide, est utilisé au Cerema pour le suivi du littoral, pour l’inspection des ouvrages d’art, pour l’évaluation des risques naturels ou le diagnostic des digues… La mise en oeuvre du drone doit à chaque fois être adaptée au cas d’usage et au contexte du site.

Le Cerema mène des expérimentations qui permettent d'évaluer la pertinence de l'emploi du drone dans différentes thématiques. Il vient par exemple d’acquérir un drone de type aile fixe, qui permet de réaliser des cartographies à haut rendement, et dispose de qualités techniques intéressantes : plus rapide qu’un drone à aile tournante, autonomie deux fois plus importante, et un mode de vol intelligent. Le Cerema va explorer les apports d'un tel drone, notamment à travers des méthodes innovantes de traitement des données recueillies.

Des articles scientifiques sont parus ou en cours de publication sur les usages du drone par le Cerema et ses partenaires, notamment en matière de risques naturels et du risque de cavités souterraines.

 

LE DRONE POUR L’INSPECTION DES OUVRAGES D’ART ET INFRASTRUCTURES

Le drone pour l'inspection d'ouvrages d'art et d'infrastructures

Une inspection détaillée d’un ouvrage d’art consiste au contrôle visuel, avec report des désordres sur un plan à l’échelle, de l’ensemble des parties de l’ouvrage. Une telle inspection, dans la législation actuelle, doit se faire "au contact", c’est-à-dire que l’inspecteur doit être au contact physique du parement.

Dans le domaine des inspections des ouvrages d'art ou parties d'ouvrage, le drone, se présente comme un outil supplémentaire à disposition des gestionnaires qui n'a pas vocation à remplacer les outils actuels mais à les compléter. Les principaux atouts du drone se situent dans l'accessibilité (bien qu'avec des contraintes propres) tout en permettant de diminuer la gêne occasionnée à l'usager lors des opérations de surveillance.

L’inspection par drone, technique en cours de développement, fait face à des contraintes liées à l’emploi du drone (législation, turbulences, météorologie) et à la prise de vue elle-même (rapport précision/temps de traitement, caractérisation difficile des fissures à partir d’images seules, localisation des fissures sur l’ouvrage d’art.

Aujourd'hui, l'inspection par drone n'atteint pas encore le niveau d'une inspection réalisée avec des moyens d'accès classiques et il convient donc de la réserver sur des structures adaptées : structures en béton armé de géométries simples (voiles, piles par exemple), structures en maçonnerie, auscultations ponctuelles et périodiques sur certaines zones ciblées...

 

L'inspection des piles de pont

Le Cerema, qui possède une grande expérience dans l’inspection des ouvrages d’art, développe depuis quelques années ses compétences en matière d’inspection par drone, en se concentrant sur les piles de pont qui sont difficiles d’accès. Il conseille également les gestionnaires sur la manière optimale d’utiliser les drones dans ce cadre.

Le Cerema est notamment intervenu dernièrement sur deux ouvrages d'art : le viaduc du Viaur et le pont d’Iroise, dans des conditions climatiques favorables et avec un drone muni de 6 moteurs et d’un appareil photo Sony Alpha 6000 avec un objectif de focale variable : 16-50 mm.

Viaduc du Viaur : ce viaduc repose sur quatre piles dont les deux plus hautes (+ de 100 m) sont inaccessibles aux cordistes (piles encastrées). L’inspection des piles, a été réalisée au moyen d’un drone, sur trois jours en septembre 2019. La raison qui a motivé l’emploi du drone était de ne pas perturber la circulation.

Les images obtenues permettent de localiser des désordres du béton armé tels que des fers apparents, des éclats de béton, ou encore des fissures relativement ouvertes, mais ne permettent pas d’identifier certains débuts d’éclats, les micro-fissures ou les fissures peu ouvertes.

De plus l’accès à certaines parties est difficile telles que les têtes de piles (fortes turbulence, proximité du tablier et absence de signaux GPS) ou le fond des engravures par exemple.

Inspection des piles du pont d'Iroise : Dans le cadre de l’inspection détaillée et de l’expertise des haubans du pont de l’Iroise dans l’estuaire de l’Elorn, le Cerema a utilisé un drone pour l’inspection des deux piles principales du pont, situées au milieu de l’Elorn. L’inspection par drone du Cerema constitue la première inspection de ces deux piles, qui sont impossibles d’accès aux cordistes en raison de leurs dispositions constructives.

Une autre pile a été inspectée avant et après le passage des cordistes pour comparer les deux méthodes d’observation (par drone et par moyen d’accès classique "au contact"). Les résultats sont similaires, même s’il est possible que des craquelures relevées avec le drone ne soient que des « faux positifs » (ou artefacts).

Certains points restent à perfectionner en matière d’utilisation du drone pour l’inspection des ouvrages d’art, comme le traitement des images et l’amélioration de la stabilité du vol à proximité des ouvrages. L’étape suivante de cette démarche sera menée dès 2020 en partenariat avec l’Université Gustave Eiffel afin de développer la maîtrise du traitement d’images.

 

Inspection d'infrastructures portuaires

Un article scientifique [1] publié récemment dans la revue Science Direct, a présenté les résultats de travaux de recherche sur l’acquisition par drone de photographies et d'images thermiques au dessus de quais portuaires. Ces quais construits dans les années 30 avec différents matériaux présentaient des faiblesses, avec des infiltrations d’eau salée. L’objectif du projet était d’identifier les déformations à l’intérieur de la structure des deux quais.

Des images avec une caméra normale et une caméra thermique ont été prises de jour et de nuit par drone à une altitude de 20 m, avec une résolution de 5 mm. Les images visibles ont permis de réaliser un modèle altimétrique des plateformes par photogrammétrie, et les images infra rouges thermiques ont permis de suivre l’évolution de la température pendant plusieurs heures.

Cette étude a notamment révélé une corrélation claire entre des anomalies thermiques et des dépressions topographiques au niveau de deux quais.

 

L'OBSERVATION PAR DRONE POUR L'AMÉNAGEMENT ET LES RISQUES NATURELS

Le Cerema a également développé l'usage des drones pour la gestion des risques naturels.

Un article scientifique sera publié prochainement dans la revue Survey in Geophysics [2], sur l’utilisation au niveau international des drones pour l’étude des glissements de terrain, des inondations, de la volcanologie et des tremblements de terre. Les usages se déployant en parallèle des améliorations technologiques (fiabilité des systèmes, maniabilité, flexibilité des appareils, capacités de traitement de données), de nombreuses études ont marqué des avancées scientifiques aussi bien en matière d’anticipation des risques que de gestion de crise.

L'utilisation de ces technologies (type de drone, instrumentation, méthodologies) diffère pour chaque domaine d’application, en fonction de l'extension spatiale et de l'échelle temporelle du phénomène observé, ainsi que des contraintes pratiques liées à la réglementation des agences de l'aviation civile (en dehors ou en milieu urbain, avant ou pendant une crise…).

Depuis plusieurs années, l’intérêt du drone pour l’observation et la surveillance du littoral a été démontrée. L'article permet ainsi de valoriser au niveau international le projet DIDRO sur la surveillance des digues par drone. A travers ce projet, qui s’est achevé fin 2019, une méthode pour identifier les fuites d’eau dans les digues a été mise au point, par traitement de données visibles et infrarouge qui permettent de percevoir des différences de températures dans les structures. Un dispositif sera commercialisé par une société partenaire du projet.

Enfin, cet article évoque l’utilisation conjointe des drones et des images satellite dans le cadre des risques naturels.

 

Observation du littoral

Dans le cadre d’un projet partenarial de mécénat avec les Salins qui produit du sel dans les marais salants, le Cerema contribue à une démarche d’adaptation des zones littorales basses au changement climatique. Ce partenariat vise à répondre aux enjeux liés au changement climatique sur les zones basses du littoral, en développant une recherche au niveau international dans le domaine des sciences de l’ingénieur et de l’environnement sur ces espaces.

De nombreuses activités économiques dont les marais salants, sont implantées dans ces zones côtières basses, qui présentent notamment des risques de submersions marines. Ce programme de recherche appliquée visera notamment à observer l’évolution du littoral, les phénomènes de submersion sur les zones basses et le comportement des ouvrages de protection.

Parmi les techniques d’observation et de relevés qui seront utilisées, le drone permettra d’assurer une couverture photographique des zones étudiées et d’effectuer des relevés en 3D.

Avec la Région Normandie, un projet Topochronic de suivi de l’érosion des falaises a reposé en partie sur l’usage de drones, pour mesurer et surveiller précisément l’évolution de trait de côte sur certains secteurs à risques. Ces mesures sont effectuées notamment après les tempêtes qui impactent particulièrement la morphologie du littoral.

Toujours avec la région Normandie, un autre projet partenarial vise à développer des outils de suivi du littoral pour évaluer les phénomènes impactant l’érosion côtière.

Le drone est au cœur de ce projet nommé Télédétact (Télédétection par DronE du TrAit de Côte), pour la prise d’images en visible et en infrarouge haute résolution à plusieurs périodes et réaliser des modèles numériques. Cela permet de comparer et de quantifier les volumes de sédiments accumulés à certains endroits, érodés à d’autres.

 

Observation d'un hydrosystème

Dans le cadre du programme de recherche Piren-Seine, le Cerema a contribué au développement d’une méthode d’imagerie Infrarouge Thermique par un drone, en caractérisant les hétérogénéités des températures de surface des hydrosystèmes (rivière, surface du sol, gravière…).

Le projet PirenSeine (Programme Interdisciplinaire de Recherche sur l'eau et l'environnement du bassin de la Seine) vise à développer une vision d'ensemble du fonctionnement du système formé par le réseau hydrographique de la Seine, son bassin versant et les populations.

Des mesures thermiques infra rouge (TIR) par drone pouvant porter une charge de 6 kilos, réalisées de manière expérimentale, ont permis de cartographier précisément l’information thermique de surface sur les plans d’eau, et leur suivi à la méso-échelle. La cartographie de la température des sols, des rivières et des plans d’eau est importante pour comprendre les impacts du réchauffement climatique à plusieurs échelles spatio-temporelles en identifiant les transferts de chaleur des flux hydriques.

L’imagerie thermique par drone a ainsi complété d’autres mesures, comme le profil thermique multiprofondeur dans le sol, et l’imagerie de la résistivité électrique des formations superficielles. Les propriétés optiques de la caméra thermique fixées sur le drone qui volait à une altitude de de 100 m, ont permis d’estimer les températures de surface sur des pixels au sol d’une résolution de l’ordre de 25 cm², soit une très haute résolution à l’échelle du site.

 

Observer les mouvements rapides des falaises

Vue de l'aiguillon de Chamboeuf - CCO F. De Dijon

Le Cerema utilise également le drone pour l'étude d’un versant rocheux, dans le cadre d’une étude de stabilité de l’Aiguillon de Chamboeuf qui se situe au-dessus d’une départementale et d’un tunnel construit au XIXe siècle et dont l’accès est difficile.

Bien qu’il ne remplace pas l’observation humaine, le drone présente plusieurs intérêts pour ce type d’observation :

• Avoir une vision d'ensemble de la falaise pour schématiser les travaux à réaliser, ce qui facilite le travail d’intervention ;
• Prendre des photos pour argumenter sur les éléments techniques ;
• Prendre des photos pour modéliser en 3D les blocs problématiques, cette modélisation par photogrammétrie permet (après calage) de définir des volumes et d'apprécier la position de centre de gravité des blocs et ainsi d’en évaluer la stabilité ;
• Le drone a également été utilisé pour localiser des ouvrages de protections contre les chutes de blocs qui n'étaient pas bien connus du gestionnaire car anciens ou avec beaucoup de végétation. Cela peut permettre une première appréciation de l'état des ouvrages.

Dans le cadre de cette opération de recherche, le Cerema a réalisé un suivi de l'aiguillon rocheux avec des survols par drone à plusieurs dates et des modélisations en 3D.

Ces observations ont montré que le site ne semble pas évoluer aussi rapidement que le pas de temps choisi, mais la technique s’est révélée intéressante surtout en présence de volumes importants en mouvement, sur un site difficile d’accès notamment en situation de crise.

Le drone est également utilisé chaque année pour faire un suivi de passe à poisson dans l'Allier. Pour cela, des photos sont prises, elles sont ensuite géoréférencées pour les superposer d'une année à une autre et ainsi observer les évolutions.

 

Quels usages du drone en milieu urbain?

Le Cerema est également partenaire des initiatives "Urban Air Mobility" de Bordeaux et Toulouse (projet européen) qui visent à développer des expérimentations d'utilisation du drone en milieu urbain pour en vérifier la faisabilité.

Les usages des drones imaginés par les partenaires à Toulouse portent sur le "remote sensing" (avec des drones pour l'étude de l'environnement ou pour fournir des services urbains tels que la gestion du trafic, le suivi de la qualité de l'air, le suivi des infrastructures), les services d'urgence et d'intervention rapide (comme le transport de matériel médical), ou encore la logistique urbaine (utilisation des drones pour compléter la chaine logistique sur le premier/dernier km).

Des applications dans le domaine des services d’urgence et d’intervention rapide ont été imaginées comme le transport de matériel médical, ou encore dans la logistique urbaine en utilisant les drones pour compléter la chaine logistique.

A Bordeaux, c'est dans le domaine du transport des personnes (acheminement de touristes, transport de personnes isolées) ou encore de la logistique urbaine que le drone pourrait être utilisé. Une journée de brainstorming et d'échanges entre partenaires du projet bordelais a permis d'esquisser des premières pistes de concrétisation du projet, dont certaines ont été présentées lors du salon aéronautique du Bourget en juin 2019.

A travers une convention signée avec Bordeaux Technowest, le Cerema contribue notamment au développement de projets liés aux drones et d’un réseau d’acteurs publics et privés de la filière des drones en Nouvelle Aquitaine.

 

Le drone pour le suivi du trafic en interaction avec les systèmes de transports intelligents

L’utilisation de drones peut s’avérer particulièrement intéressante lorsque la situation des réseaux routiers est délicate, pour des raisons liées à la congestion, aux coupures ou aux conditions climatiques

En Ile-de-France le Cerema envisage d’expérimenter des drones pour les systèmes de transports intelligents, notamment le déploiement des véhicules autonomes, ainsi que la mesure et la surveillance du trafic routier.

Cependant, la technologie et la réglementation ne sont pas toujours adaptées, et certaines applications ne pourront être développées que plus tard, comme l’utilisation d’un drone pour se rendre rapidement sur les lieux d’un accident afin d’évaluer au plus vite les mesures à prendre (usage limité aujourd’hui par le besoin d’un pilotage 100% automatisé qui ne peut s’intégrer aisément dans la circulation aérienne). Le drone pourrait aussi évaluer les capacités dans les zones de délestage des poids lourds lors d’intempéries, ou encore alerter les conducteurs d’un danger en se positionnant sur la route avant l’aléa.

Des expérimentations ont montré que le drone peut être utilisé pour la surveillance du trafic routier, à partir d’un point fixe, comme des giratoires ou des intersections importantes. L’information est transmise au gestionnaire du réseau, et peut aussi être transmise aux usagers.

Un aspect des travaux menés actuellement par le Cerema porte également sur le traitement des images aériennes. Une expérimentation a été réalisée hors d’une zone urbaine, avec un avion et un drone alimenté par un câble capable de voler plusieurs heures, conçu par le Cerema. L’objectif est désormais de le tester en ville, où les contraintes en termes de réglementation et d’autorisations sont plus importantes.

Le drone pourrait aussi être utilisé dans le domaine des systèmes de transports intelligents : pour un service d’alerte usager par le biais de systèmes coopératifs, par exemple en cas de bouchon ou de verglas, ou pour le recueil d’informations en temps réel pour le service information routière.

Le drone peut ainsi devenir un vecteur de communication lié à l’infrastructure, et permettrait de renforcer les systèmes coopératifs sur le réseau même en l’absence d’équipements connectés.

D’autres travaux liés au drone portent également sur la mesure de la pollution de l’air avec un drone par un capteur miniature.

 

UN RÉSEAU PUBLIC SUR LES USAGES DU DRONE

Fin 2019, deux journées consacrées aux usages des drones ont réuni près de 80 personnes du Réseau Scientifique et Technique (RST) des ministères en charge de l’environnement, des territoires et des transports et les administrations centrales à travers des partages d’expériences.

Trois tables rondes ont porté sur les usages et l’expression des besoins, sur la réglementation (aérienne, maritime et donnée) et sur les échanges entre écosystèmes publics et privés. Elles ont souvent permis d’apporter des éléments pour évaluer l’intérêt d’investir dans des drones, le choix des solutions techniques, le traitement et surtout l’élaboration et la gestion des données pour les territoires…

Suite à ces rencontres, le Cerema a monté avec le CGEDD une communauté sur les usages du drone au service des politiques portées par les ministères en charge de l’environnement et des territoires. La réunion de lancement, le 11 février 2020, a réuni une vingtaine de participants (administrations centrales, Direction générale de l'Aviation civile, enseignement supérieur maritime, services déconcentrés et établissements publics du RST, dont le Cerema). 6 axes de travail majeurs ont émergé et vont articuler le travail de cette communauté.

A l’automne 2019, une journée technique a également été organisée en Charente-Maritime, sur l’utilisation des drones pour les ouvrages d’art et le patrimoine bâti.

Des présentations ont porté sur la modélisation 3D de bâtiments par photogrammétrie, la thermographie, la topographie par drone, l’inspection de Fort Boyard, l’auscultation du Viaduc de Viaur et du barrage de Pannecière, du pont de l’Iroise, les inspections subaquatiques d’ouvrages à l’aide d’un Robot sous-marin télécommandé équipé de caméras, notamment d’une caméra thermique, et de capteurs, ou encore pour la mise en valeur du patrimoine architectural via des images prises par drone et permettre une visualisation avec des lunettes 3D …

Enfin, un cursus de formation en inter-entreprise sur l’usage du drone est en cours de développement par le Cerema pour l’ensemble de la fonction publique. L’objectif est d’accompagner les démarches de collectivités et services de l’Etat pour acquérir des drones ou pour gérer et traiter des données acquises par un tiers ou un prestataire.

Cette formation portera sur l’approche du drone, des études de cas et des retours d’expériences sur des démarches d’acquisition de drones, et du partage d’expériences entre pilotes de drones sur l’adaptation aux différents cas d’études et aux sites d’études.

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[1] Permeability and voids influence on the thermal signal, as inferred by multitemporal UAV-based infrared and visible images ( Influence de la perméabilité et des vides sur les signaux thermiques, comme inféré par les images infrarouge et visibles multitemporelles basées sur les drones).

[2] Ce numéro sera intitulé «Natural and man-made hazards monitoring by the Earth Observation missions: current status and scientific gaps » ( Surveillance des risques naturels et d'origine humaine par les missions d'observation de la Terre: état de l'art et lacunes scientifiques).