Quatre étapes pour étendre l'utilisation des drones en recherche

Les drones révolutionnent la recherche environnementale. En utilisant de petits véhicules aériens télécommandés, les scientifiques peuvent photographier des endroits très éloignés plus rapidement, facilement et à moindre coût que les levés classiques effectués à pied, en voiture ou à l'aide de ballons, de satellites ou d'avions.

Les drones deviennent essentiels pour la surveillance des forêts, rivières, fermes et de la faune. Ils peuvent suivre la régénération des terres boisées et indiquer aux agriculteurs où appliquer des engrais ou des pesticides. Ils peuvent voler rapidement dans les zones sinistrées. Par exemple, au Mozambique en mars, ils ont révélé des inondations, des dégâts et des survivants à la suite du cyclone Idai.

La technologie progresse et les coûts diminuent (voir). Les cadres en fibre de carbone sont à la fois solides et légers. L'électronique et les batteries sont de plus en plus petites et consomment moins d'énergie. Les systèmes GPS embarqués et le logiciel de planification de vol rendent les manœuvres simples et sécurisées. Il est possible de déployer une myriade de capteurs, allant des caméras tricolores comme celles des smartphones aux altimètres laser sophistiqués et aux capteurs thermiques. Les algorithmes de traitement peuvent transformer des séquences d’images en images 3D et en ensembles de données.

Mais les drones pourraient faire beaucoup plus pour la recherche scientifique. Ils ne peuvent actuellement être pilotés que pendant une heure avant de devoir être rechargés. Les réglementations, les normes de données et les algorithmes de traitement ne sont pas satisfaisants. Les scientifiques doivent travailler avec les régulateurs et les développeurs de logiciels pour améliorer les lois et les produits de données. Nous proposons ici quatre étapes pour l’amélioration.

Aligner la réglementation

Les cadres juridiques régissant les utilisations civiles des drones varient considérablement dans le monde (voir). Un quart des pays, y compris la plupart des pays de l'Union européenne, le Canada et les États-Unis, ont des lois strictes précisant comment, quand, où et à quelles fins les drones peuvent être utilisés. La compétence du pilote, l’enregistrement du matériel, les spécifications de vol et l’assurance sont également requis. Un autre tiers des pays n’a pas de législation. Certains pays, dont Cuba, l'Iran et le Maroc, interdisent totalement les drones. D'autres, comme l'Inde, ouvrent lentement les marchés en ne réglementant que quelques utilisations.

Une telle confusion réglementaire dissuade de nombreux scientifiques de mener des recherches sur les drones, en particulier dans les villes ou les zones à fort trafic aérien. Les entrepreneurs sont souvent embauchés pour effectuer les levés. Mais les tiers ne peuvent pas répondre aussi bien que les scientifiques aux changements en temps réel des besoins en données. Une telle inflexibilité limite les applications de drones, augmente les coûts et entrave l'innovation.

Certaines réglementations entravent les utilisations scientifiques. Par exemple, exiger que le drone soit à la vue de l'opérateur protège à tout moment les piétons des rues de la ville de New York contre les collisions et les intrusions. Mais cela empêche également les chercheurs de surveiller les espaces verts urbains depuis les airs ou, dans d'autres régions, de détecter l'exploitation forestière illégale dans des forêts denses. Ces lois empêchent également les scientifiques qui utilisent des drones loin des zones peuplées d’étudier l’empiétement des broussailles dans le bassin de l’Amazone ou la fonte des neiges dans l’Arctique ou dans l’Himalaya..

La mauvaise utilisation des drones est peut-être la plus grande menace qui pèse sur leur utilisation. La désapprobation du public ou des bailleurs de fonds peut entraîner une réglementation ou des interdictions plus strictes. Des préoccupations ont été exprimées quant à leurs impacts sur la faune. Aux États-Unis, par exemple, les drones survolant des ours noirs ont quadruplé le rythme cardiaque de l’animal.. Les vols de drones sont illégaux dans tous les parcs nationaux américains depuis août 2014, en partie à cause de leurs effets sur la faune. Plus tôt cette année, par exemple, un drone illégal dans le parc national de Zion en Utah a dispersé des troupeaux de mouflons d'Amérique (Ovis canadensis) et séparé plusieurs jeunes des adultes. En 2018, l’échouement du trafic aérien commercial par des opérateurs de drones malhonnêtes au Royaume-Uni a amené le gouvernement à étendre les zones d’interdiction de vol autour des aéroports, à limiter la hauteur de vol et à exiger davantage de formation pour les pilotes de drones.

La réglementation évolue plus lentement que la technologie. Un bon exemple est la capacité de nombreux drones à voler ensemble et à collaborer en tant qu’essaim. Des essaims de drones destinés à des usages militaires tels que la surveillance sont en cours de développement par la US Defence Advanced Research Projects Agency. Les essaims de drones sont également prometteurs pour la science et accéléreraient la collecte de données sur de vastes zones. Mais la réglementation américaine actuelle exige que les drones soient dans la ligne de vue d'un seul opérateur. Cela empêche efficacement les essaims de voler, car il est impossible de garantir que tous les drones d'un essaim puissent être vus par un opérateur.

La normalisation des lois sur les drones dans les régions et les pays simplifierait l'application et favoriserait la cohérence. Des progrès ont été accomplis: en novembre 2018, l'Organisation internationale de normalisation (ISO) a publié un projet de Normes internationales relatives aux premiers drones pour une courte période de commentaires du public. Les normes portent sur: la classification, la conception, la fabrication, le fonctionnement (y compris la maintenance) et la gestion de la sécurité. Lorsque les normes sont enfin publiées, les scientifiques doivent fournir des informations en retour.

Les chercheurs doivent collaborer avec les décideurs pour faire en sorte que les réglementations relatives aux drones soient adaptées à la recherche et à d'autres objectifs. Par exemple, des licences spéciales pourraient être configurées. Certaines réglementations, telles que les exigences de visibilité directe, pourraient prévoir des exemptions pour les études scientifiques en dehors des zones peuplées.

Améliorer le contrôle

Les systèmes de gestion des vols de drones doivent être améliorés pour protéger la sécurité publique, la confidentialité et éviter les collisions. Les restrictions réglementaires doivent être programmées et mises à jour à mesure que la législation évolue. Les systèmes anti-collision sont de plus en plus installés sur des drones. Ceux-ci utilisent des capteurs embarqués pour détecter les obstacles ou les embarcations à proximité, puis avertir les utilisateurs de régler le cap du véhicule, sans quoi le drone peut le faire automatiquement.

Des formes simples de suivi du trafic aérien sont en cours d'intégration. Par exemple, l’administration de l’aviation civile chinoise utilise deux systèmes d’informatique en nuage pour l’enregistrement et le suivi de la possession de drones et des vols – U-cloud et U-care. Un drone équipé d'un module de contrôle peut accéder aux systèmes, ce qui avertit les opérateurs des zones de vol et des limitations de vitesse.

Les développeurs de drones, tels que le plus grand au monde, DJI, à Shenzhen, en Chine, commencent à afficher des dangers en matière de réglementation et de sécurité sur des cartes dans le logiciel de contrôle. Dérivant des cartes et réglementations de l’aviation locale, ces systèmes utilisent le GPS et d’autres signaux de navigation par satellite pour limiter la hauteur à laquelle l’engin peut voler et bloquer son accès aux zones d’interdiction de vol. Une coopération entre fabricants et organes législatifs est nécessaire pour améliorer la disponibilité de ces données.

L’autorisation de contourner ces «obstacles géographiques» est accordée au cas par cas; les utilisateurs doivent démontrer à l'avance que leur activité minimise les risques pour le public, les biens et la faune. Par exemple, les chercheurs souhaitant étudier les oiseaux près d’un aéroport devraient fournir des plans de vol aux contrôleurs d’aéronefs locaux et veiller à ce que l’altitude, la vitesse et les trajectoires des drones n’affectent pas le trafic aérien local ni ne gênent les personnes et les animaux. Les chercheurs doivent également indiquer aux contrôleurs quand, où et quelles activités de drones se déroulent et en obtenir la permission.

À mesure que la capacité technologique et la couverture spatiale de ces systèmes s'améliorent, les réglementations devraient être harmonisées d'une région à l'autre. Les tests de contrôle de la qualité doivent être continus pour garantir que les réglementations fonctionnent comme prévu et comme annoncé. Les organismes de réglementation devront prendre en compte la confidentialité des données et leur anonymat.

Prolonger le pouvoir

Des cellules lithium-ion efficaces à l'état solide sont en cours de développement. Mais les drones sont toujours principalement alimentés par des batteries conventionnelles. Ceux-ci limitent les temps de vol à 15–60 minutes et limitent ainsi les distances de vol. Les drones sont généralement utilisés pour des études à petite échelle, telles que l'imagerie d'un peuplement d'arbres ou le comptage d'animaux dans une vallée. Les scientifiques cherchant à surveiller de plus grandes superficies, supérieures à 100 hectares, par exemple, sont obligés d’échanger plusieurs batteries.

La durée du vol est également influencée par le type de cadre pneumatique – les ailes fixes ont une résistance à l'air inférieure à celle des rotors. Le poids, la puissance absorbée par les composants électroniques et les capteurs embarqués, l’aérodynamique du matériel, ainsi que la direction et la vitesse du vent ont également une influence.. Réduire les batteries tout en améliorant l'efficacité des composants électroniques embarqués contribuerait à réduire le poids et à allonger les temps de vol.

Les systèmes de carburant hybrides électriques et à base d'hydrocarbures peuvent également prolonger les temps de vol. Les drones équipés de cellules photovoltaïques deviennent une réalité. Le développement de réseaux en vol capables de recharger les batteries des stations sol à proximité via des signaux Wi-Fi et à ultrasons est également prometteur.

Développer des outils de données

Les drones volent souvent à plusieurs reprises le long des transects pour recueillir des données sur une zone ou suivre les changements. Lorsque ces engins volent au-dessous de 100 mètres – le plafond typique pour une utilisation non réglementée – la résolution des images peut atteindre 3 cm, ce qui est suffisant pour identifier les espèces d'arbres, d'arbustes et d'animaux individuels.

Des défis restent à relever pour la collecte et le traitement des données. Les cellules d'aéronef fléchissent lorsqu'elles volent, et les mouvements de roulis, de tangage et de lacet en vol affectent la vitesse et l'orientation du bateau, ainsi que la cohérence et la qualité des images. Les chercheurs doivent utiliser des vitesses d'obturation rapides et un logiciel de correspondance d'images pour recréer un terrain en 3D ou pour visualiser des projections particulières..

Un logiciel est disponible pour effectuer ces tâches, mais les algorithmes ne sont pas normalisés. Il n'y a pas de consensus sur les paramètres optimaux, tels que l'altitude, les dimensions de l'image et la vitesse de vol, ni sur les méthodes de reconstruction de vues ou de traitement d'informations structurelles et spectrales. Bien que des logiciels à code source ouvert soient en cours de développement, la plupart des packages sont des boîtes noires propriétaires. Les utilisateurs ne peuvent pas savoir ce que font les algorithmes sous-jacents, ni les tester ou les ajuster.

Les chercheurs doivent travailler avec les développeurs de logiciels pour développer des algorithmes qui répondent aux nombreux objectifs de la collecte de données scientifiques à partir de drones. Par exemple, les logiciels commerciaux de traitement des images numériques sont souvent conçus pour reconstruire des formes géométriques simples à des fins architecturales. Les distorsions et les omissions sont courantes lorsqu'un tel logiciel est appliqué à des caractéristiques plus complexes telles que la végétation.

Nous appelons à davantage de dialogue et de collaboration entre les législateurs, les utilisateurs, les développeurs et les fabricants de drones pour étendre leur utilisation à des fins scientifiques et pour démocratiser la télédétection. Les prochaines réunions du comité technique de l'ISO à Londres en octobre et à Nanjing en novembre, ainsi que des conférences sur la télédétection telles que celles de la société IEEE Geoscience and Remote Sensing, offrent la possibilité d'entamer cette discussion.