Les drones, nouveaux outils de la recherche

Drones multirotors et helicoptere

Reconstituer une abbaye en 3D, modéliser les nuages ou suivre au plus près la vie d'une communauté d'oiseaux... Les drones offrent de nouvelles possibilités aux chercheurs. «CNRS Le journal» lève le voile sur ces projets inédits...

Les drones ne servent pas qu'à espionner ses voisins ou à survoler illégalement des centrales nucléaires ! Biologistes, architectes, météorologues... s'en sont emparés pour mener de nouveaux projets de recherche. Le coût désormais accessible de ces engins, leur maniabilité et leur poids plume – deux kilos à peine pour les plus légers – en font un outil rêvé pour les chercheurs, qui sont de plus en plus nombreux à y embarquer caméras et autres capteurs miniaturisés. Dotés de GPS et d’outils de navigation, ces drones sont même capables de voler en auto-pilote en suivant un plan de vol pré-enregistré. Le seul vrai défaut du dispositif réside dans son autonomie. « Actuellement, on est à une vingtaine de minutes pour les drones à voilure tournante (sortes d’hélicoptère avec 4, 6 ou 8 rotors) et à environ une heure pour les drones à voilure fixe, de type avion miniature », indique Simon Lacroix, roboticien au Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes (LAAS) du CNRS. Mais si les drones cristallisent tous les fantasmes, le meilleur reste à venir : dans quelques années, ce sont carrément des flottes d’engins que les chercheurs pourront déployer dans le ciel pour collecter toujours plus de données ! En attendant ces escadres d'un genre nouveau, «CNRS Le journal» revient sur cinq projets menés aujourd'hui par des chercheurs français.

Suivre les populations animales

Les biologistes s’en sont emparés les premiers, et pour cause : équipé d’un appareil photo haute définition, le drone est l’outil idéal pour recenser la biodiversité dans des zones difficiles d’accès et faire notamment du comptage de populations animales. « Pour le moment, on est sur des usages à quelques dizaines de mètres d’altitude », indique David Grémillet, biologiste au Centre d’écologie fonctionnelle et évolutive (Cefe)1. Mais la tentation est forte pour les chercheurs de se rapprocher encore – et ce alors que les vidéos amateur de faune sauvage tournées au moyen de drones se multiplient sur Internet. « Utiliser des drones, c’est bien, mais il est indispensable de le faire sans déranger les animaux », rappelle David Grémillet, dont l’équipe vient de conduire un test grandeur nature auprès d’une population de flamands roses de Camargue. « Nous voulions savoir jusqu’où nous pouvions aller sans provoquer de réaction de la part des oiseaux, mouvement de tête ou déplacement au sol. Nous avons donc varié les angles, la vitesse d’approche, la couleur du drone et la distance finale entre le drone et les flamands », explique le biologiste.

Les résultats réservent une vraie surprise aux chercheurs, puisqu’ils ont pu approcher l’appareil jusqu’à 4 mètres de distance sans que les oiseaux ne montrent aucune réaction de stress, probablement parce que le drone ne ressemble à aucun prédateur connu. « Seule l’approche verticale, directement au-dessus du groupe, leur a fait tourner la tête, car il s’agit de leur angle mort », raconte David Grémillet, qui imagine déjà utiliser les drones pour compter les oiseaux marins qui nichent dans les falaises ou suivre les migrations… À terme, si les chercheurs parviennent à approcher l’engin au plus près des animaux, les drones pourraient également permettre de télécharger les données des appareils de mesure fixés sur les individus en liberté – position GPS, fréquence cardiaque, dépense énergétique, température et autres données capitales à l’étude de la faune sauvage –, et ce sans avoir à les recapturer.

Percer la vraie vie des nuages

Encore aujourd’hui, cela reste un mystère pour les météorologues. En effet, si l’on en comprend le fonctionnement en théorie, on n’a jamais pu observer sur un temps long la vie réelle d’un nuage : comment se forme-t-il, comment évolue-t-il, qu’est-ce qui déclenche la pluie ? Les drones pourraient bientôt apporter une réponse à ces questions. À l’horizon 2017, le projet Sky Scanner, conduit notamment par le Centre national de recherches météorologiques (CNRM) et le LAAS, ambitionne de faire voler au cœur de ces nébulosités trois drones intelligents capables de communiquer entre eux.

« Pour l’heure, nous en sommes encore au stade de la démonstration, explique Greg Roberts, spécialiste des interactions aérosols-nuages au CNRM-Game2. À terme, nous envisageons de faire voler des flottes de dizaines de drones qui enregistreront en simultané toutes les données pertinentes : température, humidité et pression, bien sûr, rayonnement solaire, turbulences, nombre d’aérosols, taille des gouttelettes d’eau en différents endroits du nuage… » Autre projet en cours : étudier la dissipation des brouillards. « Les modèles actuels sont en effet incapables de prédire à quel moment de la journée le brouillard se lèvera », indique Greg Roberts.

Traquer les sites archéologiques enfouis

Jusqu’à présent, on utilisait l’avion pour tenter de déceler les traces de vestiges gallo-romains ou d’habitats du Moyen Âge enfouis sous les champs. Avec plusieurs limites de taille : l’altitude minimale à laquelle peut voler un avion (150 mètres) ne permet pas de prendre des clichés avec une haute résolution, et le coût élevé d’un vol limite d’autant le nombre de missions possibles. Or les conditions de lumière, d’humidité et de visibilité sont extrêmement variables d’un jour à l’autre et ne garantissent pas de repérer à coup sûr les signes d’un habitat enseveli. « Les drones, eux, permettent de répéter autant de fois que nécessaire les survols et d’approcher au plus près des surfaces à explorer », explique Nicolas Poirier, archéologue au laboratoire Travaux et recherches archéologiques sur les cultures, les espaces et les sociétés (Traces)3. Ils sont équipés d’appareils photo numériques classiques ou de caméras thermiques à infrarouge, remises au goût du jour depuis l’arrivée de ces engins.


« La thermographie a été testée en archéologie dans les années 1970 et abandonnée car trop compliquée à utiliser dans les avions, explique le chercheur. Aujourd’hui, ces caméras sont numériques, miniaturisées et permettent de détecter efficacement les anomalies thermiques du sol causées par la présence de fondations. » Le principe : les murs présentant une plus grande inertie thermique que les sédiments alentour, ils tendront à se réchauffer moins vite quand la température augmente, et inversement. Les caméras peuvent aussi détecter les variations thermiques des céréales dans un champ : les plants dont les racines buttent sur des fondations souffrent de stress hydrique et ont tendance à chauffer plus que les autres. « Avec cette technique, on voit carrément apparaître le plan des bâtiments, c’est magique ! », s’enthousiasme le chercheur. À terme, les scientifiques du laboratoire Traces espèrent pouvoir utiliser les drones dans l’archéologie préventive, en contribuant à repérer les sites archéologiques enfouis avant même l’entrée en scène des bulldozers.

Cartographier l’érosion des plages

Face à l’assaut répété des tempêtes – Xynthia en 2010, tempêtes à répétition de l’hiver dernier –, les plages de la façade atlantique voient leur surface diminuer inexorablement. Un phénomène que les scientifiques du laboratoire Domaines océaniques4 ont pour mission de mesurer le plus précisément possible. Pour ce faire, les drones sont un allié de choix. « En faisant voler ces appareils entre 0 et 150 mètres, la limite maximale autorisée par la loi 5, on arrive à obtenir de très hautes résolutions des cartographies réalisées, soit moins de 3 centimètres », précise Jérôme Ammann. Couplées aux vues prises par les imageurs sous-marins, ces clichés permettent de modéliser en 3D la plage et de regarder précisément la mécanique de l’érosion.

Les drones volent en auto-pilote, suivant un plan de vol précis qui sera répété d’une année sur l’autre pour faciliter les comparaisons. La précision des informations récoltées et le temps gagné sont incomparables : « Auparavant, il fallait deux jours aux chercheurs munis de leur balise GPS pour couvrir une plage à pied. Aujourd’hui, il suffit d’un quart d’heure au drone pour s’acquitter de la même tâche ! », se félicite Jérôme Ammann.

Modéliser le patrimoine

Produire un relevé pierre à pierre de la zone des théâtres à Pompéi, soit 15 000 m2 de ruines, grâce à un vol de drone de 50 minutes à peine : c’est le défi qu’ont relevé les architectes du laboratoire Modèles et simulations pour l’architecture et le patrimoine (MAP)6. « En tout, 850 photos haute définition ont été prises suivant un plan de vol très précis téléchargé sur le drone, raconte Renato Saleri. Nous avons ensuite utilisé un logiciel de photogrammétrie – un procédé dérivé des outils utilisés par l’Institut national de l’information géographique et forestière – pour produire le document final. »

Le principe de cet outil : exploiter les très fortes redondances entre les clichés (80 % de recouvrement au minimum) pour rendre le relief et reconstituer les ouvrages en 3D. Le document produit après 24 heures de calcul (!) permet de constituer des archives en 3D du site qui serviront notamment pour les travaux de restauration futurs.


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