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Instrumentation embarquée sur drône

L’imagerie aéroportée à très haute résolution (THR) est complémentaire à l’imagerie satellitaire. Elle permet de « zoomer » sur des méga pixels une zone d’intérêt scientifique (ROI) peu étendue ou le satellite ne la voit que sous quelques pixels.  On peut ainsi obtenir des résolutions centimétriques et pouvoir estimer d’une mission à une autre les modifications de terrain et les quantités de matières déplacées avec des précisions de plus en plus réalistes.

Notre laboratoire a conçu et mis en œuvre divers types d’instruments de mesure embarqué sur drones. Il a plus de 15 ans d’expérience dans ce domaine.

Nos drones multi-rotors sont déclarés auprès du CNRS (dirsu.dronesATcnrs.fr), exploitant de drone pour la recherche scientifique,  et de la DGAC.   ils sont habilités au scénario S1, S2, S3

 

Pour mettre en œuvre l’imagerie aéroportée, il faut bien sur des plates-formes volantes à faible altitude (avion, hélicoptère, ULM, drone) mais aussi des capteurs embarqués de bonne qualité. Les imageurs proprement dit fournissent « l’image » contenant l’information souhaitée, et les capteurs annexes permettent de positionner en 3D dans l’espace et en absolu (par rapport à un référentiel terrestre) ces imageurs. Enfin,  les logiciel de traitement intègrent toutes ces informations pour en restituer le produit final  (images  orthorectifiées, des cartes numériques comme les modèle numérique de terrain ou infrarouge…).

Au laboratoire, nous avons les moyens d’imager dans le visible, le proche infrarouge et le thermique.

Dans le domaine visible, nous avons recours à la photogrammétrie. Deux ou plusieurs clichés de la même zone permettent de calculer la topographie de cette zone connaissant les caractéristiques internes (focale, taille de la matrice, distorsion de l’objectif…) et les paramètres externes (position et attitude) de l’appareil photo. Ces méthodes permettent actuellement de produire des modèles numériques de terrain (MNT) de plage d’une résolution centimétrique pour une précision décimétrique.

Dans le domaine visible et du proche infrarouge, nous avons recours à l’imagerie hyper-spectrale.
Une caméra scanner film le sol et collecte pour chaque pixel spatial 250 bandes spectrales comprises entre 400 et 1000nm. Chaque pixel permet d’avoir une signature spectral du « matériau » observé. On accède ainsi à sa nature minéral, organique ou végétale. Ce système d’image permet de caractériser les faciès et ainsi de suivre l’évolution des sols en surface. ( biofilm,  végétation…)

Drone octocopter 18,5kg  portant charge hyperspectral

 

 

Contacts :

Au Laboratoire Geosciences Océan (Université de Bretagne Occidentale)

  • Jérôme Ammann : jerome.ammann@univ-brest.fr
  • Christophe Delacourt : christophe.delacourt@univ-brest.fr

Au Laboratoire Sciences de la Terre et de l’Environnement (Université de Lyon 1)

  • Philippe Grandjean : philippe.grandjean@univ-lyon1.fr
  • Pascal Allemand : pascal.allemand@univ-lyon1.fr

Documentation technique

Le Scanner Laser Terrestre (TLS) est un instrument permettant d’effectuer des mesures topographiques avec une haute résolution spatiale et une grande précision. En répétant ces mesures, on peut quantifier l’évolution topographique de la zone d’étude.

Le TLS émet un faisceau laser (Infra-Rouge – 1,55 µm) qui se réfléchit sur un point de l’environnement et retourne au TLS. Du temps d’aller-retour du signal, on déduit avec précision la distance entre le point et le TLS.

figureTLS2

Le TLS du laboratoire est un Riegl VZ-400. Il balaie tout l’espace (horizontalement sur 360° et verticalement sur 80°), en mesurant la position de ≈42 000 points/seconde, avec une portée d’environ 400-600m.
voir Documentation technique

Une fois assemblée, cette multitude de points mesurés constitue un «nuage de points» en 3D. La résolution spatiale varie de quelques millimètres à quelques dizaines de centimètres et la précision est de quelques centimètres.

figureTLS3

Le nuage de points 3D doit ensuite être recalé dans un repère géographique grâce à des cibles réfléchissantes dont la position a été mesurée au GPS différentiel.

figureTLS4

Le nuage est interpolé sur une grille régulière pour créer un Modèle Numérique de Terrain (MNT).

Contacts :

  • Christophe Prunier

Sondeur multifaisceaux (SMF)

Le SMF est un système sonar permettant de cartographier les fonds marins avec une haute résolution et précision, sur une large bande de part et d’autre de la route du navire (fauchée d’environ 4 fois la hauteur d’eau).

Il est ainsi possible d’obtenir un modèle numérique de terrain de la zone couverte en un temps relativement court. Par exemple, en Rade de Brest, pour une profondeur moyenne typique de 20 mètres, le sondeur multifaisceaux de l’IUEM permet d’imager une secteur d’1 km² avec une résolution horizontale de 1 mètre en moins de quatre heures si le bateau avance à 4 nœuds.

Le SMF de l’IUEM est un sondeur multifaisceaux « petits fonds » (0 à 200 mètres) SeaBat 8101 du fabricant RESON, qui est mobilisé temporairement sur des navires d’opportunités à l’aide d’une perche amovible ou d’un puits dans la coque.

figureSMF1

Cartographie par sondeur multifaisceaux

Le principe de fonctionnement du SMF est le suivant : il émet une onde acoustique qui va se propager dans la colonne d’eau, se réfléchir sur le fond et retourner au sondeur. En mesurant le temps de retour de l’impulsion et grâce à la connaissance de la célérité (vitesse du son dans l’eau) on obtient la mesure de profondeur.

La géométrie des antennes d’émission et de réception du SMF de l’IUEM permet d’obtenir 101 faisceaux avec une ouverture angulaire transversale et longitudinale de 1.5° par 1.5°, et donc une empreinte de faisceau bien résolue sur le fond de la mer.

Le SMF est utilisé en combinaison avec un système de positionnement GPS centimétrique, une centrale d’attitude permettant de corriger les mouvements du bateau (roulis, tangage et cap), une sonde de célérité et un logiciel d’acquisition facilitant l’intégration et la synchronisation de ces capteurs.

 

figureSMF2

Station de base GPS transmettant les corrections au bateau

Caractéristiques :

Sondeur multifaisceaux RESON SeaBat 8101
Fréquence 240 kHz
Portée 0 à 200 m
Résolution de portée 1.25 cm
Ouvertures angulaires longitudinales et transversales 1.5° x 1.5°
Secteur angulaire couvert par la fauchée 150° (210° opt. 038)
Nombre de faisceaux 101 (141 opt. 038)
Volume de données en petits fonds environ 15 000 000 de sondes par heure
Couverture sur le fond (ouverture utile 120°) 3.5 x profondeur
Dimensions Longueur 266 mm
Diamètre 320 mm
Poids Air 26.8 kg
Eau 4.8 kg
Option 033 Imagerie
Option 035 Carénages avant et arrière
Option 038 Secteur angulaire 210°
Date d’achat Novembre 2007

 

Contacts :

  • Mickael Beauverger
  • Jérôme Amman
  • Christophe Delacourt