Le drone Pixy, une nouvelle plate-forme aéroportée pour l’étude des dynamiques paysagères
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NB. Le contenu de cet article donne des informations disponibles au moment de sa publication en 2006.
L'imagerie aérienne et spatiale est devenue un outil incontournable dans l'étude et le suivi des phénomènes naturels et des dynamiques paysagères. Le développement de ressources "grand public" pour la visualisation d'images verticales, tels que celles de "Google earth" ou du Géoportail de l'Institut Géographique National (IGN), répond à une demande croissante de données spatiales précises. Les images satellites et aériennes disponibles actuellement sur le marché couvrent un grand panel d'offres en terme de résolution, d'emprise au sol, de fréquences de passage et cela à des coûts très variables. Parallèlement de nouvelles plate-formes aériennes d'acquisition de données images, plus légères, sont développées : par exemple, la technologie drone. Elle a été approchée, avec un drone de type Pixy, dans le cadre d'études portant sur la restitution de la topographie et de la végétation fluviale à petites échelles et dans le suivi d'opérations de restauration de zones humides sur la Basse vallée de l'Ain.
La mise en œuvre du drone Pixy
C'est un petit para-moteur radio-télécommandé produit par la société Philae Concept (France). L'appareil est équipé d'un moteur thermique 25 cm³ couplé à une hélice bipale. Il décolle comme un avion et atterrit en planant. Il dispose d'une voile tubulaire, de type parapente, reliée au châssis par des suspends. Vecteur léger (6 kg à vide), il bénéficie d'une autonomie d'une heure avec une portée de 800 m. À partir d'un seul point de pilotage et avec une visualisation directe, son rayon d'action est d'1,6 km. Des capteurs peuvent être placés à l'avant de la nacelle (charge embarquée maximale 4kg). Sa faible vitesse, de 15 à 25 km/h, permet d'acquérir des clichés de haute qualité.
Le capteur utilisé ici est un appareil photo numérique grand public CANON PowerShot G5 (focale 35mm). Le drone est également équipé d'un GPS embarqué (Garmin III+). L'altitude de vol peut donc être contrôlée approximativement ainsi que la vitesse et la trajectoire grâce à un "pocket PC" placé sur la radio commande.
En plus de la prise de clichés, le capteur numérique permet d'avoir un retour visuel des zones survolées par le biais d'un écran de contrôle au sol. Il s'agit d'une paire de lunettes dans laquelle est incrusté un petit écran CCD. Ce système permet de visualiser, en temps réel, les surfaces survolées et de s'assurer que l'emprise des acquisitions correspond bien à l'objet d'étude afin d'optimiser les temps de survol.
Caractéristiques techniques et mise en œuvre du drone Pixy
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Décollage et envolDispositifs de rampe d'envol |
Les sites de décollage correspondent à des surfaces planes bitumées ou en herbe rase. La plupart des espaces ouverts le long des cours d'eau étant rugueux, une "rampe d'envol" a été construite ici afin d'élargir les sites potentiels de décollage et d'accroître le rayon d'action (photographie ci-contre). |
Les images acquises par le drone Pixy ont été comparées à un échantillon d'autres plate-formes de gamme de restitution proche, c'est-à-dire celles de la Très Haute Résolution (THR) : satellites SPOT 5, QuickBird, avion type de l'IGN (figures ci-dessous). Pour les satellites SPOT 5 et QuickBird les modes panchromatique (*) et multi-spectral (*) sont découplés.
1 - Tout dépend de l'altitude du vol
2 - Avion de l'IGN (1/20 000e - scan 1 000 dpi)
3* et 4* - SPOT 5 et QuickBird : p = panchromatique (toute la gamme du spectre électromagnétique visible et une partie du proche infra-rouge) ; m = multispectral (combinaison de bandes spectrales resserrées, dans le domaine du visible ou du non visible)
5 - Sur l'hypothèse d'un jour sur deux
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Le drone évoluant à une altitude plus basse que les autres vecteurs (entre 50 et 300 m d'altitude), il produit tout naturellement des images à très haute résolution, variable cependant selon les capteurs optiques embarqués. Il est le seul à pouvoir offrir une vraie résolution centimétrique.
À cette résolution, tous les emboîtements d'échelle sont possibles (ci-dessous : état n°1) que ce soit la végétation (herbacée, aquatique, arbustive, arborée), les chenaux de petite taille (les bras secondaires et morts) et les substrats (affleurement ou dalle en fond de chenal) jusqu'à la structure granulométrique des bancs.
Dans le but d'établir un suivi diachronique, la fréquence des images pouvant être acquises au cours d'une année est un facteur important à considérer. L'imagerie aérienne IGN, dont l'échelle de couverture représente l'ensemble du territoire français, ne propose que des passages quinquennaux (ou bien sur commande à des coûts prohibitifs). Il faut aussi tenir compte des risques de masques : le drone peut voler en dessous de la couverture nuageuse. L'élément déterminant de la technologie drone, en termes de temporalité, c'est sa réactivité : en l'absence d'un vent trop fort, il est mobilisable dès le lendemain d'une crue pour un premier état des lieux. Alors que les technologies satellites supposent des programmations parfois lourdes à mettre en œuvre.
En revanche la technologie drone est compétitive pour de faibles périmètres d'étude et seulement dans le but de caractériser des objets ou bien d'identifier des dynamiques temporelles à échelle centimétrique.
Le choix du drone Pixy dans l'étude des systèmes fluviaux et des zones humides relève donc de la nécessité de caractériser de façon fine les entités qui composent le corridor fluvial : plan d'eau, bras mort, végétation aquatique et riparienne. Grâce à son gabarit léger, le drone offre des avantages en termes de souplesse, de maniabilité et surtout de réactivité qui permettent de répondre rapidement à un aléa, cela plusieurs fois dans l'année et à moindre coût.
Ses principales contraintes d'utilisation sont les conditions météorologiques. Compte tenu des caractéristiques aéronautiques (couple voile / moteur), le drone est fortement dépendant du vent. Au-delà de 20 km/h, il devient difficile à piloter car il ne peut remonter au vent. La nacelle devient instable et ne garantit plus la verticalité des prises de vue. La pluie est également un des facteurs limitant son utilisation.
Le protocole terrain
Comme pour toutes prises de vue à partir d'un vecteur aérien, l'optique des capteurs induit des déformations géométriques dont l'origine est double. En premier lieu, l'optique génère une déformation due à la forme lenticulaire des objectifs. La seconde distorsion est engendrée par le sol lui-même. En effet, la terre n'étant pas une surface plane, sa rotondité induit également une déformation qui est d'autant plus grande que le capteur est éloigné du sol. Afin de minimiser ces distorsions et pour pouvoir rectifier et géoréférencer les images du drone, des points de repère sont répartis sur le site (ci-dessous à gauche). Ce sont des balises (carrés de toile cirée de couleur rouge) facilement identifiables sur les photographies aériennes. Ces balises sont disposées de façon à couvrir l'ensemble des sites. En présence d'un chenal en eau, la configuration du site contraint la répartition des balises le long des berges.
L'acquisition des coordonnées des balises permet de faire le lien entre l'image et le sol. En fonction de la configuration des sites, des points d'amer fixes au sol peuvent compléter le balisage. Ce recalage est effectué par DGPS (Differentiel Global System Positioning). Le matériel utilisé ici est un DGPS Trimble bi-fréquence 5800 RTK. Les points acquis autorisent une précision centimétrique en relatif sur les 3 axes (x, y, z) lorsque toutes les conditions sont réunies (absence de masque et bonne constellation des satellites).
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À partir de cette étape, l'image peut être rectifiée (ci-contre à droite – état de 1 à 2) et ainsi toutes les images sont regroupées pour ne former qu'une seule et même image : une mosaïque (état 3)
Des applications du drone
Des mosaïques d'images portent sur différents secteurs fluviaux à des échelles variables. Les zooms permettent d'apprécier la qualité des détails et les possibilités offertes par l'imagerie drone.
Le premier exemple correspond à une lône de 300 m de long sur 30 m de large (ancien bras de l'Ain, abandonné lors d'un recoupement de méandre). Deux survols en période hivernale et estivale permettent d'apprécier la propagation de la végétation aquatique sur le plan d'eau et d'identifier les essences présentes sur site.
Le second exemple représente un banc de galets dans une concavité de méandre. La précision du support autorise une première analyse morphologique : langue de progression de galets en queue de banc (partie sud de la photo), substrat granulométrique hétérogène. Il permet également d'identifier la présence de végétation pionnière (saule, peuplier ainsi qu'une strate herbacée).
Le dernier exemple correspond au chenal principal de l'Ain sur un linéaire de 2 km. Le tronçon est de forme linéaire mais à cette échelle, c'est l'ensemble d'un méandre qui peut être visualisé. Les secteurs à faible hauteur d'eau (seuils) peuvent être distingués des secteurs plus profonds (mouilles). Par transparence, on peut également visualiser les différents faciès lithologiques de fond de chenal : végétation algale, dalle calcaire, surface limoneuse, bois mort etc.
L'Ain dans le secteur de Bellegarde
Les prochains survols permettront d'observer les conséquences de cette opération sur le secteur considéré et sa partie aval.
En conclusion, la technologie drone permet d'appréhender, grâce à ses images à très haute résolution, de nouveaux objets naturels. Il est un outil complémentaire des plate-formes aériennes et spatiales déjà existantes. Les améliorations techniques qui pourront être apportées permettront d'accroître son potentiel d'étude et de suivi des processus naturels et plus particulièrement des dynamiques paysagères.
Pour compléter, prolonger, des ressources
Bibliographie
- Bryant R. and Gilvear DJ. - Quantifying geomorphic and riparian land cover changes either side of a large flood event using airborne remote sensing, river Tay - Scotland 23: 1-15 - 1999
- Gilvear DJ., Bryant R. - Analysis of Aerial Photography and Other Remotely Sensed Data - in Kondolf GM, Piégay H, Tools in Fluvial Geomorphology - Wiley: 135-170 - 2003
- Raclot D., Puech C., Mathys N., Roux B., Jacome A., Asselime J., Bailly JS. - Photographies aériennes prises par drone et Modèles numériques de terrain : apports pour l'observatoire sur l'érosion de Draix - Géomorphologie: Relief, Processus, Environnement n°1: 7-20 - 2005
- Toutin T. - Photogrammétrie satellitale des capteurs de haute résolution: état de l'arts - Bulletin de la Société Française de Photogrammétrie et de Télédétection 175 (3): 57-68 - 2004
- Westaway RM., Lane SN., Hicks DM. - Remote survey of large-scale braided, gravel-bed rivers using digital photogrammetry and image analysis - International Journal of Remote-Sensing 24(4): 795-815 - 2003
Ressources en ligne
- Gest'eau, le site national des Schéma d'Aménagement et de Gestion des Eaux en France (SAGE) :www.gesteau.eaufrance.fr
- Les SAGE du bassin Rhône - Méditerranée : www.gesteau.eaufrance.fr/sage/district.php?bassin=RMC
- Axe de recherche sur les hydrosystèmes fluviaux de l'UMR 5600 :http://cassiopee.univ-lyon3.fr/umr5600/proj_hydrosystemes.html
- Zone Atelier Bassin du Rhône : www.graie.org/zabr
- Le Syndicat Basse vallée de l'Ain : www.bassevalleedelain.com
- Philae Concept, constructeur du drone Pixy : www.philaeconcept.com
- Les programmes européens Life Nature :
Jérôme Lejot, doctorant à l'UMR 5600 (Environnement, ville et sociétés),
pour Géoconfluences, le 20 octobre 2006
Mise en page web : Sylviane Tabarly
Mise à jour : 20-10-2006
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Pour citer cet article :
Jérôme Lejot, « Le drone Pixy, une nouvelle plate-forme aéroportée pour l’étude des dynamiques paysagères », Géoconfluences, octobre 2006.
https://geoconfluences.ens-lyon.fr/doc/transv/paysage/PaysageDoc.htm