Le drone au service de la recherche : mission de captation multi-vecteurs au lac d’Issarlès
Quelles solutions les drones aériens, marins et sous-marins apportent-ils aux problématiques de captation de donnée scientifiques ?
Contexte
Le Laboratoire Geolab de l’université de Clermont comprend une unité de chercheurs qui étudie notamment le Lac d’Issarlès. Ce lac se situe dans le département de l’Ardèche à proximité du Puy en Velay. A 1000m d’altitude, sa surface est d’environ 5km2 et sa dernière profondeur connue est de 138m.
Ce lac est un cratère issu de la chaîne de volcan des Puys et les chercheurs du laboratoire du CNRS souhaitent reconstruire son histoire environnementale, préhistorique et son impact sur la région.
De nombreuses opérations ont eu lieu et notamment sur le prélèvement de sédiments et d’eau du site. Elles ont révélé un certain nombre d’éléments qui engagent le groupe de chercheurs à continuer et pousser les recherches.
Nous intervenons dans ce cadre là puisque nous avons proposé de mettre à disposition nos différents robots pour l’acquisition de données et de prélèvements dans le but d’avancer sur l’analyse du Lac d’Issarlès.
Objectifs
L’objectif reposait sur une meilleure compréhension de la topographie du lac afin de mieux connaître le système lacustre et évaluer l’influence du complexe hydroélectrique de Montpezat qui utilise le lac d’Issarlès comme réservoir principal, sur sa dynamique et son écologie.
Le lac d’Issarlès reçoit également des eaux provenant de trois retenues : les barrages de la Veyradeyre, du Gage et de la Palisse. Les structures scientifiques qui nous ont mandaté ont souhaité disposer de ces éléments bathymétriques pour compléter leurs études sur l’artificialisation du lac et son impact sur cet écosystème.
Les objectifs « généraux » du groupe de chercheurs sont donc :
- De préciser l’histoire volcanique locale et régionale
- Reconstruire l’histoire environnementale locale et régionale
- Envisager l’incidence sur la fréquentation préhistorique du massif
- Déterminer l’impact environnemental des infrastructures environnantes
De notre côté, le lieu et les enjeux nous paraissaient intéressants pour l’exploitation combinée de différents vecteurs robotisés, autonomes ou non. Nous souhaitions mettre en évidence, l’intérêt de l’utilisation multi-vecteurs qui permet de combiner des données terrestres, aériennes, marines et sous-marines.
Cartographie, modélisation 2D/3D aérienne et sous-marine
Captation et traitement des données de cartographie par drone aérien
Matériel utilisé : présentation du drone Matrice 350 & LiDAR L1
Pour la captation, nous avons utilisé le Matrice 350 RTK équipé du LiDAR L1.
Le Matrice 350 RTK est un vecteur multicapteur polyvalent doté d’un indice de protection IP55 capable de voler environ 35 minutes. Il est compatible avec les corrections différentielles RTK et PPK pour une optimisation des précisions des données.
Le LiDAR L1 quant à lui est équipé d’une tête de scan AVIA capable de capter 240 000 points/seconde au premier retour et 3 echos possible. Il est également équipé d’un capteur photo 1″ 20Mp qui permet de coloriser le nuage de point en temps réel ou de faire des missions en photogrammétrie indépendamment de la partie LiDAR.
Techniques utilisées : point sur la lasergrammétrie
Zones d’acquisitions
Les chercheurs du CNRS ont sélectionné deux zones d’intérêt pour les vols de notre machine :
- Les Clèdes
- Le vallon de Bonnaud et vallon de l’exutoire
La végétation étant importante sur les deux zones, les vols se feront seulement à l’aide d’un capteur LiDAR pour permettre de capter les points au sol, sous la végétation. Un capteur photo est tout de même associé à la captation LiDAR pour la colorisation du nuage de point.
Captation
Zone 1 : Les Clèdes
Zone inaccessible à pied avec du dénivelé sur laquelle nous ne pouvions pas positionner de cibles.
Nous avons planifié un vol à 60m avec un suivi de terrain via les données SRTM. La variation de terrain était de 75m environ.
La taille de la zone était d’environ 6.5ha avec une durée de vol de 18 minutes et 1261 points/m2.
Pour arriver à cette densité, nous avons choisi de voler en double écho avec une pattern de scan non répétitive et un recouvrement de 55%. La vitesse d’évolution du drone était de 4m/s.
Zone 2 : Le vallon de Bonnaud et vallon de l’exutoire
Traitement des données avec DJI Terra et Terrasolid
DJI Terra
TerraSolid :
Captation et traitement des données de cartographie par drone marin
Matériel utilisé : présentation du Bathydrone Vasco
Pour cette opération, nous avons déployé le BATHYDRONE VASCO, drone de surface, qui était équipé pour l’occasion du matériel suivant :
- D’un système de positionnement GNSS pour connaître la position du bateau drone,
- D’une station de correction différentielle RTK-PPK pour augmenter la précision des données reçues,
- D’une radiocommande longue portée avec transmission sans fil pour la liaison entre l’opérateur et le bateau drone,
- D’une unité́ de traitement de données qui permet d’accueillir un logiciel d’acquisition et de visualisation en temps réel des mesures réalisées par la sonde,
- D’un treuil automatique pour descendre une sonde multi-paramètres équipée d’un GNSS pour géolocaliser chaque profil afin d’obtenir des informations complètes de température sur une colonne d’eau équivalente à 100 mètres,
- D’un sondeur multifaisceaux PICOMB-130 SURF et d’une centrale inertielle Applanix pour faciliter les levés de haute résolution afin d’établir des mesures sur toute une fauchée perpendiculaire à l’axe du bateau (256 faisceaux avec une ouverture de 130° jusqu’à 170 mètres de profondeur).
Pour obtenir une bathymétrie la plus juste au niveau des berges qui peuvent différer selon la période notamment à cause de l’incidence du complexe hydroélectrique de Montpezat qui utilise le lac d’Issarlès comme réservoir principal, nous avons effectué un relevé aérien afin d’avoir une carte précise de la zone ce qui nous a permis d’obtenir des données très précises près des berges.
Techniques utilisées : point sur la bathymétrie
La bathymétrie repose sur une technique qui permet de mesurer la profondeur et le relief sous la surface de l’eau grâce à différents capteurs (sonar mono et multifaisceaux, scanner acoustique, …). Tout comme pour les photos aériennes ou les images satellitaires qui ont permis d’avoir un autre regard de la surface de la terre, les relevés bathymétriques ont profondément modifié la perception du fond des océans et des mers. Les données enregistrées permettent d’éditer, de visualiser et de restituer la morphologie du fond en 2 ou 3 dimensions. Selon l’objectif final de la mesure, le résultat de la bathymétrie permet d’obtenir un nuage de points XYZ, une carte incluant des isobathes ou un profil de rugosité, un modelé 3D texturé, obtenir un calcul de cubatures et d’évolution de stocks sédimentaires ou encore une étude du volume d’eau restant.
Zones d’acquisitions
Les investigations se sont déroulées sur différentes sections du lac ;
- Au niveau de la partie immergée du cône de la Clède,
- Au niveau du cône du ravin des Charbonneyres (située au sud de la prise d’eau EDF),
- Au niveau du cône du ruisseau du col du Gage et sous la butte de Montchamp côté sud et sud-est.
Captation
La bathymétrie multifaisceau nous a permis d’élaborer une topographie complète du lac. Les objectifs étaient multiples ; obtenir des informations sur la profondeur du lac, connaître la courbe hauteur/volume qui donne le volume d’eau disponible en fonction de la hauteur constatée du lac.
L’utilisation d’un bateau drone a permis de sécuriser les opérations en éliminant le besoin de plonger ou de devoir déployer un véhicule en zone dangereuse. L’opération a été réalisée par un seul opérateur depuis la berge, au lieu de deux opérateurs sur une embarcation motorisée.
L’utilisation d’un sonar multifaisceaux a permis de couvrir de grandes surfaces en peu de temps.
Grâce au faible tirant d’eau du Bathydrone VASCO, le déploiement a pu être effectué depuis la berge sans contraintes.
Toutes les données ont été suivies en temps réel depuis la berge et parallèlement enregistrées et synchronisées à l’aide de l’ordinateur de bord du bateau puis transférées pour être exploitées.
Le bateau drone s’est déplacé à environ 1 m/s. Les lignes d’acquisition ont été espacées en moyenne de 10 m. L’utilisation de l’autopilot a permis de rester concentrer sur le réglage du sondeur lors de l’acquisition (profondeur et angle) ainsi que sur le recouvrement des fauchés pour une densification des points optimisée.
Contraintes
Traitement des données avec BeamworX
Prélèvements d'échantillons d’eau du lac par drone sous-marin
Présentation des matériels utilisés : ROVs Deep Trekker Pivot & Revolution
Ces 2 drones sous-marins sont équipés ;
- D’un système de positionnement acoustique qui offre à l’opérateur ROV le suivi en temps réel du trajet emprunté par le véhicule directement depuis l’écran du contrôleur sans recourir à un ordinateur,
- D’une caméra 4K caméra située à l’avant du capable de pivoter sur un axe de 220° et de fournir un retour vidéo 4K UHD en direct vers la surface sans aucune latence (champ de vision horizontal de 180°).
- D’un capteur DVL (Doppler Velocity Log), dispositif qui utilise des ondes acoustiques pour établir un rapport entre l’altitude et la vitesse du ROV qui donne un niveau de contrôle et de stabilité accru lors de l’utilisation. Le ROV peut également utiliser le DVL pour le maintien de l’altitude, la profondeur et la position dans l’eau.
- D’un capteur pour fixer un cap automatique et d’un capteur pour stabiliser une profondeur,
- D’un échantillonneur d’eau et de sédiments,
- D’un bras pince (outil de récupération) capable de pivoter à 260° et d’exercer une force de verrouillage de 32 kg sur un poids remonté en surface
Cette configuration est idéale pour maintenir la position du ROV dans des courants importants et ainsi garantir à l’opérateur un contrôle stable lors de mouvements qui imposent une finesse de déplacements.
Techniques utilisées : point sur les ROVs (remotely operated vehicle)
Zone d’acquisition
Captation
Pour permettre le déploiement des ROVs dans les zones spécifiques de la mission, nous avons utilisé les embarcations non motorisées mis à disposition par le gestionnaire du lac. Le faible encombrement des ROVs a permis un déploiement relativement rapide et sans contrainte particulière malgré le peu d’espace sur l’embarcation.
Le pilotage du ROV a été assuré par un seul opérateur grâce à la technologie intuitive développée par le fabricant. Le retour image/vidéo en direct et sans latence sur l’écran de la radiocommande dans les mains de l’opérateur a permis aux scientifiques présents sur l’embarcation de valider chacune des opérations.
Deux équipes ont été déployées sur le lac. La 1ère s’est concentrée sur l’enregistrement des images vidéo et photos tandis que la seconde s’est focalisée sur l’échantillonnage.
L’utilisation d’un dispositif de positionnement acoustique a permis d’effectuer les prélèvements sur les périmètres définis par la mission.
L’investigation sous-marine nous a permis notamment de conforter la profondeur du lac avec exactitude grâce au capteur de profondeur installé sur le ROV. Toutes les données ont été suivies en temps réel depuis l’embarcation et parallèlement enregistrées sur la carte SD de la radiocommande.
L’utilisation de la profondeur automatique a permis de réaliser plus facilement les différents échantillonnages liquide et sédimentaires. La fonction de cap automatique a permis également de suivre une trajectoire de manière plus simple malgré la dérive de l’embarcation causée par le vent ce jour-là.
Le déplacement du ROV en mode latéral a permis de suivre le contact haut et le contact bas d’une extrémité à l’autre de la coulée et ainsi obtenir des informations visuelles déterminantes pour apprendre sur la morphologie du terrain sous la surface de l’eau.
Un transect (horizontal et vertical) allant de la coulée au cône de la Clède en passant par le fond du maar a permis d’obtenir des informations vidéo complémentaires.
Contraintes
La présence en surface du câble qui relie le ROV à l’opérateur par flottabilité positive a permis d’œuvrer en sécurité vis-à-vis des nageurs, kayakistes et plaisanciers. Lorsqu’un risque était identifié car trop proche, les moteurs du ROV étaient systématiquement coupés ce qui avait pour incidence de faire remonter le ROV. Les ROVs sont en effet calibrés pour remonter en surface lorsqu’ils sont éteints. Ce qui nous a obligé à reprendre les opérations depuis la surface et par la même occasion limité notre autonomie.
La différence de pression entre la surface de l’eau et le fond du lac a été également un facteur problématique pour l’ouverture et la fermeture des échantillons. Étant donné que la pression de l’eau s’élève avec la profondeur (elle augmente de 1 bar tous les 10 mètres et s’ajoute à celle de l’air atmosphérique qui a une valeur de 1 bar à la surface de l’eau), il a été par moment difficile d’ouvrir l’échantillonneur en surface et il a fallu aider manuellement le mécanisme.
L’autre facteur ennuyeux pour les missions d’échantillonnage a été causé par la présence des courants de surface influencés par un vent très présent ce jour-là. La position du ROV sous la surface de l’eau n’a pas été le problème principal car ces drones sous-marins sont équipés de capteurs permettant de maintenir une position malgré la force de courant de 3,5 nœuds (soit environ 2 mètres par seconde). Le problème reposait sur l’embarcation non motorisée sur laquelle nous nous trouvions car pour chaque descente et remontée du ROV, l’embarcation dont nous disposions dérivait de manière significative ce qui nous obligeait à chaque fois de reprendre notre position.
Traitement des données par les chercheurs du CNRS
Le traitement des données d’échantillonnage a été confié aux laboratoires pour connaître avec précision les informations relatives au taux d’oxygène dissous, conductivité, pH…
Les données relatives aux températures de l’eau sur une colonne d’eau équivalente à 100 mètres ont pu être observées par télémétrie en temps réel depuis la radiocommande entre les mains de l’opérateur. Chaque palier par tranche de 10 mètres a fait l’objet d’une photographie sur laquelle figurait différentes informations comme la température justement mais aussi le cap emprunté par le ROV et sa profondeur.
Les informations relatives à la morphologie du terrain sur la zone de la coulée intercalée entre le socle et les dépôts du maar sous les troglodytes sont restituées sur la base d’images et vidéos 4K.
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