Cartographier l'inaccessible : Pourquoi les géologues utilisent des drones pour créer des modèles 3D de falaises, de côtes et de volcans

«∘L'utilisation des drones a révolutionné le travail géologique de terrain, elle a fondamentalement changé notre façon de travailler, et nous n'en voyons que le début. Le potentiel est colossal.∘» Professeur John Howell, Université d'Aberdeen

La géologie est l'étude des roches à l'intérieur de la Terre. Un aspect essentiel de cette science consiste à observer ce que nous voyons à la surface, dans les falaises et les carrières, puis à extrapoler sur ce qui se trouve sous nos pieds. Les géologues cartographient et mesurent depuis plus de 200 ans, mais l'arrivée récente des drones a fondamentalement changé leur façon de travailler. Le professeur John Howell et son groupe de l'université d'Aberdeen, en collaboration avec NORCE Research en Norvège, ont été les premiers à explorer les possibilités d'amélioration de la cartographie par les drones.

Une grande partie de leur travail vise à aider les compagnies pétrolières à prendre de meilleures décisions en matière de forage dans des endroits comme la mer du Nord. Le professeur Howell explique qu'«∘une entreprise va forer un puits pour atteindre une cible située à des milliers de mètres sous le plancher océanique. Pour savoir où se trouve cette cible, elle se base sur les puits adjacents, qui peuvent se trouver à plusieurs kilomètres de distance. Nous utilisons les roches que nous étudions à la surface pour mieux comprendre ce qui se passe dans les couches que nous voulons suivre dans le sous-sol∘». Étant donné que les puits typiques coûtent plus de 25 millions de dollars, il est très utile d'utiliser leurs connaissances pour réduire l'incertitude liée au forage. 

Le groupe de recherche du professeur Howell se consacre principalement à trouver des sections de falaises similaires présentant la même géologie et à recueillir des données sous la surface à l'aide de drones DJI, mais le travail n'a jamais été facile.

Depuis plus d'une décennie, et comme alternative à la méthode risquée de descendre en rappel le long de la falaise, le travail de cartographie des géologues repose sur la précision des scanners LiDAR placés au sol ou montés sur des hélicoptères. Dans les deux cas, les chercheurs ont dû faire face à des problèmes tels que les zones d'ombre et des coûts exorbitants de plusieurs milliers de livres par heure.

C'est pourquoi le professeur Howell a décidé d'opter pour des drones avec caméra, une solution efficace et accessible. Le tournant pour les géologues a été ce qu'il appelle la «∘révolution des affleurements virtuels∘», l'aboutissement de deux événements simultanés entre 2006 et 2007 :

Dans les années 1990, le groupe de recherche du professeur Howell a commencé à collecter ce type de données en utilisant des techniques analogiques. Cela impliquait de photographier, de dessiner, de mesurer et de descendre en rappel pour atteindre les parties difficiles d'accès.

Plus tard, en 2004, ils ont commencé à utiliser le LiDAR terrestre, qui améliorait la précision mais était coûteux et encombrant. Il était également toujours difficile d'obtenir des images de la partie supérieure des sections de falaises. Cela les a incités à collaborer avec Helimap, un groupe suisse qui avait monté un Lidar terrestre dans un hélicoptère. Les résultats étaient bons mais l'acquisition de données était très coûteuse, l'acquisition de données sur 1 km de falaise coûtait plus de 1 000 USD. Le passage aux drones en 2011 a été une évolution naturelle, d'abord pour acquérir des images afin de combler les lacunes des modèles, puis pour construire les modèles en utilisant la photogrammétrie.

En 2014, lorsqu'ils ont acquis leur premier DJI Phantom, l'approche drone/photogrammétrie a remplacé les lasers comme outil de choix au quotidien. Quatre ans plus tard, ces techniques ont été largement adoptées par la communauté géologique. Le professeur Howell appelle cela «∘la révolution de l'affleurement virtuel∘».

Un affleurement virtuel est un modèle 3D photoréaliste d'une section de falaise, qui peut être utilisé pour effectuer des mesures similaires à celles qu'un géologue ferait sur le terrain. L'adoption généralisée de cette approche en géologie est due à deux évolutions technologiques parallèles. 

1. L'émergence de drones abordables, faciles à piloter, avec des caméras de haute qualité comme la série DJI Phantom ;
2. le développement de la méthode Structure for Motion (SfM), une branche de la photogrammétrie qui permet de construire des modèles 3D d'éléments complexes, tels que des falaises, à partir de photographies standard sur un ordinateur de bureau ou un ordinateur portable ordinaire. Si la photogrammétrie existe depuis plus de 100 ans, ces nouveaux algorithmes la rendent accessible aux non-spécialistes et à des prix abordables.

Le professeur Howell et ses collègues ont mené plusieurs études de référence pour comparer les modèles construits à partir de données collectées avec le scanner LiDAR et les drones. Si les modèles LiDAR sont plus exacts et précis, les modèles photogrammétriques sont plus qu'adéquats et là où une étude traditionnelle d'un kilomètre de falaise pouvait demander à deux personnes deux à trois jours de numérisation et une semaine de traitement, le même terrain peut être couvert par un drone en 20 minutes et traité en une nuit.

La précision est traditionnellement mesurée par la densité de l'échantillon au sol (taille des pixels). Le groupe de recherche a examiné de plus près l'exactitude et la précision, où la précision est la distance entre deux points du modèle par rapport à cette distance dans le monde réel, et l'exactitude est l'emplacement des caractéristiques sur le modèle par rapport à leurs coordonnées dans le monde réel. 

Pour les modèles de plusieurs kilomètres de long, explique-t-il, les chercheurs obtiennent généralement une précision de quelques cm,  ce qui est comparable aux données LiDAR qu'ils avaient l'habitude de collecter, mais beaucoup plus rapidement. Il est peut-être possible d'obtenir des précisions inférieures au centimètre avec les systèmes LiDAR modernes, mais contrairement à l'arpentage architectural, ce niveau de détail n'est généralement pas requis. 

Avec l'adoption généralisée de l'approche de l'affleurement virtuel, les applications sont devenues plus importantes que les méthodes elles-mêmes. En plus de son travail avec l'industrie pétrolière, le groupe a réalisé un certain nombre d'autres projets intéressants, notamment son travail de recherche sur le Stromboli, dans le sud de l'Italie, qui a conduit au tout premier modèle thermique 3D d'un volcan actif. 

L'utilisation de drones pour prédire les éruptions a déjà été bien documentée dans le cas particulier de l'Etna, en Sicile. Pour ce travail spécifique sur le Stromboli, l'équipe s'est associée au professeur Dougal Jerram, un volcanologue de l'université d'Oslo. Ils ont utilisé une série de drones fournis par COPTRZ pour cartographier le volcan en utilisant la photogrammétrie standard et l'imagerie thermique. Le travail a été documenté dans un court film disponible auprès de l'Université d'Aberdeen. L'équipe est retournée deux fois sur site en 2017 et 2019 pour surveiller l'évolution du volcan, et devrait y retourner une fois que les restrictions liées au Covid19 seront levées. 

Les volcans comme le Stromboli sont déjà bien documentés et surveillés, mais l'objectif à plus long terme du groupe de recherche est de développer un système de suivi des volcans à faible coût, basé sur des drones, qui pourrait être déployé dans les pays en développement.  Avec plus d'un demi-milliard de personnes vivant dans des zones à risque d'éruption, l’anticipation est essentielle. Leur objectif est de mettre au point un système qui effectue des relevés répétés pouvant ensuite être utilisés pour rechercher des changements dans le flux de chaleur à long terme et des modifications de la surface du sol qui sont souvent le signe précurseur d'une éruption. Un tel système autonome coûterait une fraction du coût des systèmes d'observation conventionnels. 

Avec 9 chercheurs et 20 doctorants travaillant sur un large éventail de projets de géologie virtuelle, le groupe s'est également engagé dans la vulgarisation et le partage des résultats de ses travaux avec le monde entier. «∘Au départ, lorsque nous avons commencé à travailler sur les affleurements virtuels, il n'existait pas de logiciel pour visualiser ou manipuler les données, alors nous avons construit le nôtre∘». Lime, leur logiciel spécialisé, a récemment été mis à la disposition d'une communauté plus large et s'est avéré inestimable pour les géologues du monde entier.

Lorsque le Covid-19 a interrompu les voyages, ils ont lancé un site Web appelé V3Geo qui présente plus de 200 de leurs meilleurs modèles par le biais d'un visualiseur Web spécialement conçu. Ces modèles sont accessibles au public à des fins d'enseignement et de recherche et se sont révélés inestimables pour les universitaires et les groupes qui s'efforcent de trouver des substituts en ligne aux voyages d'étude traditionnels.   

«∘Nous avons été très enthousiasmés par le nombre de personnes qui utilisent V3Geo, déclare le professeur Howell. La prochaine étape sera de le rendre accessible à d'autres personnes pour qu'elles partagent leurs modèles, afin de créer une communauté en ligne et de présenter tous les affleurements du monde. Si nous réalisons des cartes géologiques depuis 220 ans, nous ne créons des affleurements virtuels que depuis 20 ans. Le potentiel futur est énorme et n'est limité que par notre imagination∘», dit-il.  

Le professeur Howell est un fervent défenseur du partage et souhaite encourager les scientifiques à collecter des données à l'aide de drones. Nous vous recommandons de considérer les solutions de cartographie suivantes, avec plus de détails disponibles dans notre guide d'achat :