Introduction à l'évaluation des risques de glissements de terrain fondée sur les drones

Les méthodes traditionnelles d'évaluation et de surveillance des risques de glissement de terrain reposent souvent sur des levés au sol, des images satellitaires et des avions habités, qui peuvent être lents, coûteux et dangereux dans des terrains accidentés. Les véhicules aériens sans pilote (UAV), communément appelés drones, sont devenus un outil de transformation pour l'évaluation et la surveillance des risques de glissement de terrain. En combinant des capteurs à haute résolution et des plates-formes de vol agiles, les drones permettent aux scientifiques, aux ingénieurs et aux intervenants d'urgence de recueillir des données précises en temps réel dans des zones qui étaient auparavant inaccessibles ou trop dangereuses pour être abordées.

Capacités techniques des drones pour l'analyse des glissements de terrain

Charges utiles pour la collecte de données

Les drones modernes peuvent être équipés d'une variété de capteurs qui améliorent significativement l'investigation des glissements de terrain. Les charges utiles les plus courantes comprennent les caméras optiques à haute résolution (spectre visible), les capteurs multispectraux, les caméras infrarouges thermiques et les systèmes de détection et de portée de la lumière (LiDAR).

Les capteurs multispectraux détectent les variations de l'humidité du sol, de la santé de la végétation et de la composition minérale, qui sont des signes précurseurs d'instabilité de la pente. Les caméras thermiques mesurent les anomalies de température de surface qui peuvent indiquer un débit d'eau subsurface ou un réchauffement par frottement le long des plans de défaillance.

Planification des vols et qualité des données

Pour les relevés de haute précision, les points de contrôle au sol (GCP) sont souvent déployés pour assurer une précision absolue dans les nuages de points générés et les MED. Le logiciel moderne de planification des vols permet des schémas automatisés de grille, la capture d'images obliques et le positionnement cinématique en temps réel (RTK) pour obtenir une précision de centimètre sans GCP dans certains cas.

La résolution spatiale des données recueillies par les drones, souvent de 1 à 5 cm par pixel, dépasse de loin celle des images satellitaires (généralement de 30 cm à plusieurs mètres) et même des relevés d'aéronefs habités (généralement de 10 à 30 cm).Cette haute résolution est essentielle pour détecter des caractéristiques à petite échelle comme les fissures de tension, les écarpes et les blocs déplacés qui précèdent les événements majeurs de défaillance.

Avantages opérationnels par rapport aux méthodes traditionnelles

Rentabilité et efficience

Pour effectuer une étude au sol d'une pente plane, il faudra peut-être une équipe de géologues et d'arpenteurs qui passent des jours à grimper et à mesurer, avec des coûts importants en matière d'équipement et de main-d'oeuvre. Un drone peut couvrir la même zone en quelques heures à une fraction du coût.Cette efficacité permet de répéter les relevés à intervalles réguliers, créant des données de séries chronologiques essentielles pour suivre les tendances de déformation de pente.

Sécurité et accessibilité

Les drones éliminent la nécessité d'une proximité humaine étroite avec les zones actives ou potentielles de défaillance. Ils peuvent voler directement sur des pentes instables, des falaises verticales et des zones où les chutes de pierres sont actives pour recueillir des données qui nécessiteraient autrement des équipes d'accès à corde risquées ou des vols d'hélicoptères habités. Cet avantage sécuritaire est particulièrement critique pendant ou immédiatement après un glissement de terrain, lorsque les conditions au sol sont les plus dangereuses.

Données en temps réel pour la prise de décision rapide

Les drones équipés de liaisons de communication cellulaire ou satellite peuvent diffuser des données vidéo et de détection vers un centre de commande à distance en temps quasi réel. Lors d'une situation d'urgence active, cette capacité permet aux commandants d'incidents d'évaluer l'ampleur des mouvements, d'identifier les dangers secondaires (comme les rivières démêlées) et de coordonner les évacuations ou les fermetures de routes sans attendre le post-traitement.

Demandes dans le cycle de vie des glissements de terrain

Évaluation des dangers avant l'événement et alerte rapide

En créant des MDE à haute résolution avant qu'un glissement de terrain ne se produise, les ingénieurs peuvent utiliser des modèles de stabilité des pentes qui tiennent compte de la topographie, des propriétés du sol et de l'hydrologie. Ces modèles aident à prioriser les zones de mesures d'atténuation comme l'installation de drainage ou les murs de retenue. Répéter les relevés de drones, hebdomadaires, mensuels ou après de fortes précipitations, pour permettre la détection de mouvements à l'échelle millimétrique par des techniques telles que la corrélation numérique d'image (DIC) ou la différence LiDAR. Ces données de base alimentent les systèmes d'alerte précoce qui déclenchent des alertes lorsque le déplacement s'accélère, fournissant un délai crucial pour l'évacuation.

Par exemple, la US Geological Survey (USGS)[ a intégré la photogrammétrie à base de drones dans son programme de recherche sur les glissements de terrain, en utilisant des MDE de séries chronologiques pour surveiller les glissements de terrain lents en Californie et dans le nord-ouest du Pacifique.

Surveillance en temps réel pendant les événements actifs

Lorsqu'un glissement de terrain est déjà en mouvement, les drones offrent un point de vue unique pour observer et mesurer l'événement. Les vols de drones à réaction rapide peuvent cartographier la frontière du matériel déplacé, estimer le volume de débris et identifier les zones où la dalle peut s'étendre ou s'accélérer.

Dans certains cas, des drones ont été utilisés pour déposer des paquets d'instruments (p. ex. des traceurs GPS ou des incluinomètres) sur des masses de glissement actives pour recueillir des données de mouvement sous-marine. Bien que cette approche soit encore expérimentale, elle promet d'améliorer la précision des modèles en temps réel.

Évaluation des dommages après l'événement et planification du rétablissement

Après un glissement de terrain, la zone touchée est souvent trop dangereuse pour les équipages au sol en raison de débris instables, de vides cachés et du risque de nouvelles défaillances. Les drones peuvent immédiatement produire des cartes à haute résolution de l'empreinte des dommages, y compris des bâtiments détruits, des routes bloquées et des changements dans les schémas de drainage.

Par exemple, les glissements de terrain qui bloquent les rivières peuvent former des barrages naturels qui peuvent échouer de façon catastrophique. Les vols de drone peuvent mesurer la hauteur et l'étendue du lac démembré et surveiller l'infiltration ou l'érosion, ce qui permet aux ingénieurs de décider s'il faut creuser un déversoir contrôlé. Les données post-événement informent également la conception des travaux de stabilisation de pente, comme les clous de terre ou les mailles ancrées, en fournissant une entrée topographique précise pour les modèles d'ingénierie.

Études de cas démontrant l'efficacité du drone

Oso Landslide, Washington (2014)

Le glissement de terrain d'Oso 2014 à Washington a été l'un des plus meurtriers de l'histoire américaine, tuant 43 personnes. Après l'événement, des levés de drones ont été effectués pour cartographier le champ de débris massifs dans une zone qui est restée trop dangereuse pour l'accès au sol pendant des semaines. Les orthophotos et les MED dérivés de drones ont permis aux ingénieurs géotechniques d'estimer le volume (environ 10 millions de mètres cubes) et d'identifier le mécanisme de défaillance probable – une combinaison de pression de l'eau souterraine et d'une couche géologique faible.

Surveillance active des glissements de terrain dans les Alpes suisses

Depuis 2016, des chercheurs de l'Institut fédéral suisse de recherche sur les forêts, les neiges et les paysages (WSL) ont utilisé des drones pour surveiller un glissement de terrain en profondeur qui se déplace lentement dans les Alpes. Des vols mensuels avec des caméras assistées par RTK produisent des nuages pointés avec une précision inférieure au centimètre. En comparant les relevés successifs, l'équipe a mesuré des taux de déplacement variant de 0,5 m/an près de la tête à 2,5 m/an à l'orteil. Ces données ont aidé à affiner les modèles d'eau souterraine et contribué à un système d'alerte précoce réussi qui protégeait un village de descente.

Problèmes liés au traitement et à l'intégration des données

Alors que les drones génèrent de grandes quantités de données, le traitement de ces données en informations exploitables nécessite des logiciels spécialisés et des ressources informatiques. Le traitement photogrammétrique de centaines d'images pour produire de l'orthomosaique et des DEM peut prendre plusieurs heures ou jours, selon la zone couverte et la résolution souhaitée.

La précision géoréférencée est un problème persistant. Sans points de contrôle au sol, même les drones équipés de RTK peuvent produire des erreurs de 5 à 10 cm horizontalement et de 10 à 20 cm verticalement dans un terrain difficile. Pour détecter la déformation pré-échec de l'ordre de quelques centimètres par mois, ces erreurs peuvent masquer les signaux réels.

Un autre défi est la fusion des données. Souvent, les données provenant de plusieurs capteurs (optiques, thermiques, LiDAR) sont collectées sur des vols séparés avec différents systèmes de coordonnées. L'alignement de ces ensembles de données pour l'analyse intégrée nécessite des algorithmes d'étalonnage et d'enregistrement robustes.

Obstacles réglementaires et opérationnels

Dans de nombreux pays, les vols au-delà de la ligne de visibilité visuelle (BVLOS) nécessitent des dérogations spéciales, limitant la capacité de surveiller de façon autonome les glissements de terrain grands ou éloignés. Les contraintes météorologiques jouent également un rôle : des vents forts, des précipitations et des nuages bas peuvent poser des drones pendant des jours ou des semaines, ce qui peut être inacceptable en cas d'urgence rapide.

De plus, la durée de vie des batteries limite le temps de vol à 20 à 40 minutes pour la plupart des drones commerciaux. Cela signifie que l'observation d'un grand glissement de terrain (p. ex. 2 km2) peut nécessiter plusieurs batteries et une durée de fonctionnement plus longue, ce qui réduit l'efficacité.

Pour un aperçu détaillé des règlements américains sur les drones pour l'utilisation commerciale et la sécurité publique, voir la page de la Federal Aviation Administration (F) .

Orientations futures et innovations technologiques

Opérations de swarm autonomes

La technologie du swarm est actuellement mise à l'essai pour la surveillance de l'environnement, et son application à l'évaluation des risques de glissements de terrain pourrait réduire considérablement le temps de collecte des données tout en améliorant la couverture spatiale.

Intégration avec les capteurs in situ

Les drones peuvent agir comme nœuds mobiles sur un réseau de capteurs, téléchargeant les données des incluomètres au sol, des capteurs de pression interstitielle et des jauges de contrainte réparties sur une pente.Cette approche hybride de surveillance combine la couverture spatiale des drones avec la couverture temporelle continue des instruments fixes.Des projets de recherche financés par NASA="s Earth Science Division explorent la façon dont les gousses de capteurs livrées par drone peuvent être déployées dans des zones de glissement de terrain éloignées, créant un réseau autoguérisant qui signale les données de mouvement par satellite.

Apprentissage automatique pour la détection automatique des changements

Les réseaux neuronaux convolutionnels (RCN) formés sur des milliers d'images de glissements de terrain étiquetés peuvent maintenant identifier les écarlates et les matériaux déplacés avec précision à l'approche du niveau d'expert humain. Lorsqu'ils sont intégrés dans un processus d'alerte précoce, ces outils peuvent réduire le temps de collecte de données pour alerter la notification de jours à minutes.

Drones à ailes fixes à longue durée de vie

Si les drones multirotors dominent pour des levés détaillés, les drones à voilure fixe offrent une endurance de vol de 1 à 3 heures et peuvent cartographier des centaines de kilomètres carrés dans une seule mission. Pour les évaluations régionales de la sensibilité aux glissements de terrain, les plates-formes à voilure fixe avec des capteurs LiDAR ou multispectraux fournissent un terrain intermédiaire rentable entre les levés par satellite et multirotor.

Conclusion

La technologie des drones est passée d'une nouveauté expérimentale à un outil essentiel d'évaluation et de surveillance des risques de glissements de terrain. Sa capacité à fournir une collecte de données à haute résolution, rapide et sûre à toutes les étapes d'un événement de glissement de terrain – cartographie avant l'événement, surveillance active des mouvements et évaluation des dommages après l'événement – a été prouvée dans de nombreuses applications sur le terrain dans le monde entier.