Systèmes d’aéronefs télépilotés pour les opérations

Systèmes d’aéronefs télépilotés pour les opérations forestières – Veille technologique Rapport technique no. 44 - Octobre 2015

Par : Karine Jean et Patrick Ménard, Centre Géomatique du Québec Udaya Vepakomma et Denis Cormier, FPInnovations

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de solutions scientifiques pour soutenir la

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d’avant‐garde qui touchent à tous les éléments

de la chaîne de valeur forestière, des

opérations forestières aux produits de

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Chicoutimi spécialisé sur les différents aspects

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une expertise reconnue dans le domaine des

aéronefs sans pilote, des caméras

spécialisées et dans le traitement d’images

acquises à l’aide de SAT.

301009278: 4FS-SO-FO-TT3-Photogrammetry

Rapport technique no. 44

RÉSUMÉ Les progrès technologiques récents des systèmes d’aéronef télépiloté (SAT) permettent d’offrir des solutions abordables et flexibles pour la planification des opérations forestières et les suivis de conformité. Le rapport examine la technologie dans un contexte forestier. Il présente un aperçu des SAT et leurs composantes, fournit des informations sur la réglementation courante et identifie des caractéristiques importantes pour les applications forestières.

REMERCIEMENTS La contribution du Centre de Géomatique du Québec à ce projet a été financée en partie par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) via le Programme d’innovation dans les collèges et la communauté – subvention de recherche et développement appliqué (RDA), niveau 1 et par le financement industriel de FPInnovations. La participation de FPInnovations a également été financée en partie par Ressources Naturelles Canada dans le cadre de l’entente sur le programme des Technologies Transformatrices.

CONTACT Udaya Vepakomma Chercheure Télédétection 514-782-4610 [email protected]

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Divulgation aux fins d’application commerciale: Si vous avez besoin d’assistance pour mettre en œuvre les résultats de ces recherches, veuillez contacter FPInnovations à [email protected].

FPInnovations Page 3

Table des matières

1. CONTEXTE DU PROJET ............................................................................................................... 4

Objectifs ............................................................................................................................................. 5

2. PRÉSENTATION DE LA TECHNOLOGIE ...................................................................................... 5

Définition et terminologie .................................................................................................................... 5

Classification et type de véhicules ...................................................................................................... 7

Véhicules à voilure fixe ................................................................................................................... 7

Véhicules à voilure tournante .......................................................................................................... 9

Capteurs embarqués (payload) ........................................................................................................ 11

Capteurs visibles .......................................................................................................................... 12

Capteurs infrarouge-thermique ..................................................................................................... 12

Capteurs multispectraux ............................................................................................................... 13

Capteurs hyperspectraux .............................................................................................................. 13

Systèmes LiDAR........................................................................................................................... 13

Équipements pour le contrôle de la navigation ................................................................................. 14

Équipage .......................................................................................................................................... 14

3. LA RÉGLEMENTATION ............................................................................................................... 14

Formation de pilotage de SAT légers ............................................................................................... 15

Contenu d’un COAS ......................................................................................................................... 15

Équipe d’opération ........................................................................................................................ 16

Description du plan des opérations ............................................................................................... 16

Description de l’aéronef ................................................................................................................ 17

Mesures d’urgence ....................................................................................................................... 17

4. VEILLE TECHNOLOGIQUE ......................................................................................................... 19

Plateformes ...................................................................................................................................... 19

Capteurs .......................................................................................................................................... 19

Logiciels de traitement d’images et de modélisation 3D ................................................................... 20

5. CONSEILS POUR LE DÉPLOIEMENT ......................................................................................... 21

Choix d’un système .......................................................................................................................... 21

Formation ......................................................................................................................................... 21

Gestion des données ....................................................................................................................... 21

Qualité des produits ......................................................................................................................... 22

6. CONCLUSION .............................................................................................................................. 22


1. CONTEXTE DU PROJET

Les intervenants forestiers requièrent des informations récentes et détaillées sur l’état des forêts dans lesquelles ils interviennent. Les conditions qui affectent leur planification changent constamment et souvent rapidement. Ces changements peuvent avoir des impacts significatifs sur les prescriptions de traitement et la planification des opérations. Plutôt que d’avoir recours à des équipes manuelles pour procéder à l’échantillonnage des terrains, la télédétection permet d’acquérir efficacement l’information requise pour évaluer des territoires forestiers aménagés. Toutefois, qu’elle provienne d’un aéronef conventionnel ou d’un satellite, l’information est souvent obsolète ou trop onéreuse pour être recueillie lorsque le besoin se présente. Les progrès technologiques récents des systèmes d’aéronef télépiloté (SAT) permettent d’offrir des solutions abordables et flexibles pour la planification des opérations forestières et les suivis de conformité. Toutefois, comme le marché pour les applications civiles est en effervescence avec plusieurs produits encore à l’étape du prototype, il est nécessaire de faire le point sur l’état de développement des systèmes (véhicules, capteurs et logiciels) et d’identifier ceux qui sont prêts à être utilisés et adaptés aux opérations forestières.

La figure 1 illustre le flux générique pour le déploiement d’un projet cartographique avec un SAT. Ce rapport mettra l’accent sur les paramètres affectant la sélection du système dans un contexte forestier. Il couvrira également la formation et les permissions de vol qui sont similaires pour l’ensemble des systèmes et des applications. Puisque la planification et le déploiement des missions de vol sont spécifiques aux applications et à l’environnement, un rapport Avantage subséquent couvrira le sujet.

Figure 1 – Diagramme d’un déploiement de SAT pour une application typique

Appl

icat

ions

Sélection du système

Composantes

Véhicule

Capteurs

Support d'archivage

Logiciel

Traitement des données

Cartographie

Formation

Planification de la mission

Environnement

Sécurité

Permission Exemptions

COAS Mission de vol


Objectifs Le rapport examine la technologie des ASP dans un contexte d’utilisation pour la foresterie. Plus spécifiquement, il vise à :

• Passer en revue la technologie des ASP et ses composantes, incluant : les types plateformes et les capteurs embarqués;

• Présenter la réglementation actuellement en vigueur;

• Présenter une veille technologique réalisée sur :

o Les plateformes, les capteurs embarqués et les logiciels de traitement d’images actuellement disponibles;

• Identifier des facteurs clés à l’implantation de cette technologie en foresterie.

2. PRÉSENTATION DE LA TECHNOLOGIE

Cela fait plus de 20 ans que les SAT font partie du paysage aéronautique. Initialement utilisés par les militaires, ils font une apparition remarquée depuis quelques années dans des applications civiles, notamment en sécurité, en géologie, en archéologie, en génie civil, en agriculture et en foresterie. Concurrents directs des avions et hélicoptères, notamment pour l’acquisition d’imagerie aérienne, les aéronefs sans pilote permettent un déploiement plus souple (plus rapide et plus fréquent) à un coût d’opération plus faible pour des projets d’envergure limitée. Bien que la réglementation régissant les activités de SAT au Canada soit encore limitative, les nombreux avantages qu’offre cette technologie laissent présager un avenir très prometteur pour ce domaine d'activités.

Définition et terminologie Comme c’est souvent le cas pour les nouvelles technologies, le consensus autour de la définition et du vocabulaire associés aux SAT tarde à se faire. À travers le monde, plusieurs noms sont utilisés pour définir les SAT. Par exemple, l’Organisation de l’aviation civile internationale utilise le terme « système d’aéronef télépiloté ». Au Canada, l’article 101.01 du Règlement de l’aviation canadienne (RAC) de Transport Canada définit les SAT comme suit :

Un « véhicule aérien non habité » est un aéronef entraîné par moteur, autre qu’un modèle réduit d’aéronef, et utilisé sans membre d’équipage de conduite à bord.

Bien que le RAC utilise le terme véhicule aérien non habité ou UAV, aucun terme n’est encore utilisé de manière spécifique par Transport Canada. L’appellation n’est donc pas réglementée et ainsi plusieurs termes sont utilisés par l’industrie :

• Drone;

• Aéronef sans pilote (ASP);

• Aéronef télépiloté;


• Système d’aéronef télépiloté;

• Systèmes télécommandés;

• Robots-volants

Le terme « drone » est souvent évité puisque certaines personnes l’associent à tort aux opérations militaires. Dans ce rapport, le terme « système d’aéronef télépiloté » et son acronyme, SAT seront privilégiés.

Les aéronefs télépilotés sont souvent confondus avec les modèles réduits utilisés par les aéromodélistes. Pour Transport Canada, la différence entre les SAT et les modèles réduits réside dans la masse totale de l’appareil. Pour être considéré comme un modèle réduit d’aéronef, l’appareil ne doit pas excéder 35kg (77,2 livres) et doit être utilisé à des fins de loisirs. Dès qu’un appareil est utilisé pour des fins commerciales ou de recherche, il est considéré comme un SAT et doit être opéré en respectant le RAC.

Un SAT est composé de plusieurs composantes: l’aéronef, la station de contrôle au sol, le système de communication et les capteurs embarqués (figure 2).

Figure 2 – Composantes d’un SAT


L’aéronef est composé de :

• la cellule qui inclut le fuselage, la voilure et l’empennage;

• le groupe motopropulseur qui peut être composé d’un ou de plusieurs moteurs électriques ou à combustion;

• l’électronique (ou avionique) qui inclut l’autopilote et le système de communication.

L’autopilote est réellement le cerveau d’un SAT. Il permet de suivre de manière autonome un itinéraire prédéterminé en se basant sur les données provenant des différents capteurs (GPS, station inertielle, altimètre, etc.). La station de contrôle au sol peut être plus ou moins complexe dépendamment de la taille du SAT et du type de mission. Elle permet de concevoir l’itinéraire de l’aéronef et de le suivre en temps réel via une interface informatique. Finalement, le système de communication fait le lien entre l’aéronef et la station de contrôle au sol. Il est à noter que certains systèmes de communication vendus avec des SAT commerciaux ailleurs dans le monde ne sont pas compatibles avec les normes de radiocommunication canadiennes. Il est donc important de s’informer auprès d’Industrie Canada avant d’en faire l’acquisition.

Classification et type de véhicules Les véhicules peuvent se présenter sous plusieurs formes. Il peut s’agir de tout véhicule aérien non habité qui s’acquitte d’une mission utile et qui peut être téléguidé ou avoir une capacité de vol autonome. La très grande variété d’appareils sur le marché rend difficile l’exercice de classification des véhicules.

Au niveau des applications civiles, la classification se base principalement sur le type d’appareil. De manière générale, les applications commerciales sont réalisées à l’aide de petits véhicules à voilure fixe ou à voilure tournante.

Véhicules à voilure fixe Les aéronefs à voilure fixe présentent une structure plus simple composée de moins de pièces que les voilures tournantes (figure 3). De ce fait, ils ont la réputation d’être plus fiables et moins sujets aux bris et aux pannes. À l’instar des aéronefs conventionnels, ils sont de forme et de configuration très variées (aile volante, motoplanneur, etc.) et leur système de propulsion peut être simple, multiple, installé à l’avant ou à l’arrière de l’appareil.

Ce type d’aéronefs offre généralement une plus grande autonomie de par leur aérodynamisme ainsi qu’une plus grande vitesse de croisière. Les véhicules à voilure fixe sont donc tout indiquer pour couvrir de grandes superficies pendant de longues périodes.


Figure 3 - Exemple d'un SAT à voilure fixe (UX5 de Trimble)

Par contre, ils requièrent un espace de dégagement plus important pour les manœuvres de décollage et d’atterrissage. Les plus gros systèmes commandent l’utilisation d’une piste de quelques centaines de mètres ce qui limite énormément les zones d’opération. Des systèmes plus légers utilisent une catapulte hydraulique ou mécanique pour le décollage ce qui réduit l’espace nécessaire au décollage, mais demande plus de manipulation et augmente les coûts du système. Les systèmes les plus simples sont directement lancés par le pilote vers une zone dégagée au début de l’opération. Les figures 4 à 6 illustrent les différents modes de décollage d’appareils à voilure fixe.

Figure 4 - Décollage sur piste Figure 5 - Décollage sur catapulte Figure 6 - Décollage par lancer


Lors de l’atterrissage, les véhicules à voilure fixe n’utilisant pas de piste peuvent représenter certains risques. En effet, plusieurs systèmes atterrissent directement sur le ventre de l’appareil ce qui augmente les risques de dommages aux véhicules et aux capteurs embarqués sur des terrains accidentés. Les manufacturiers ont tenté de mitiger ce problème en équipant les appareils de parachute. D’autres SAT plus perfectionnés utilisent même des systèmes de captation en vol comme des filets, des câbles ou des pôles. Les figures 5 à 7 illustrent les méthodes d’atterrissage.

Figure 7-Atterrissage sur le ventre Figure 8-Atterrissage par parachute Figure 9-Atterrissage par câble (Source: diydrones.com) (Source: naval-technology.com)

Véhicules à voilure tournante Les véhicules à voilure tournante ou giravions représentent certainement le segment de marché ayant le plus évolué au cours des dernières années. Un exemple d’un multirotors est illustré à la figure 10. En effet, il est actuellement possible d’acquérir des petits systèmes équipés de simples caméras pour quelques centaines de dollars dans les magasins grandes surfaces. Bien que ces petits appareils soient encore peu adaptés aux applications commerciales, ils illustrent bien l’engouement créé autour de cette technologie et son évolution rapide.


Figure 10 - Exemple d’un véhicule à voilure tournante (Scout d'Aeryon Lab)

À l’instar des appareils à voilure fixe, ils offrent une multitude de configurations, allant du design classique mono-rotor au design plus complexe de l’octocoptère. La figure 11 illustre les différentes combinaisons disponibles sur le marché pour les multirotors. En général, plus l’appareil possède de rotors, plus il pourra soulever de poids et plus il sera stable dans des conditions de forts vents. En contrepartie, les systèmes à plusieurs rotors sont généralement plus onéreux, plus lourds et plus complexes.


Figure 11 - Différentes configurations de voilure tournante (source : coptercraft.com)

L’avantage majeur de ce type de véhicule est sa capacité à décoller et à atterrir à la verticale ce qui les rends particulièrement bien adaptés pour des utilisations en environnements difficiles où il n’y a pas ou peu d’espaces pour effectuer ces opérations. Les voilures tournantes sont donc plus faciles à déployer dans un environnement forestier. Un autre avantage majeur consiste en leur capacité à faire du vol stationnaire. Cette habileté en a fait un choix logique pour les utilisations en surveillance et en sécurité.

Les systèmes à voilure tournante ont généralement une autonomie et une vitesse de croisière plus réduites en comparaison des véhicules à voilure fixe. Cette limitation peut être critique pour des applications où les superficies à couvrir sont importantes.

Capteurs embarqués (payload) Les SAT utilisés initialement par les militaires principalement recueillaient de l’information lors de missions appelées « triple D » ou « Dull, Dirty and Dangerous ». Ils étaient équipés de capteurs EO/IR (électro-optique / infrarouge thermique) qui permettaient de transmettre en temps réel ou enregistrer à bord l’information recherchée. Plus récemment, les SAT sont devenues une plateforme d’acquisition d’information au même titre que les satellites et avions. Ainsi, les capteurs installés à bord des SAT ont évolué pour répondre aux besoins des applications civiles comme en agriculture ou en foresterie.


Il existe donc actuellement une multitude de capteurs pouvant être installés dans les SAT. Comme pour les autres plateformes de télédétection, cette diversité rend difficile l’exercice de classification puisqu’ils peuvent être répartis selon la portion du spectre électromagnétique captée, le nombre de bandes spectrales, leur mode de fonctionnement (passif ou actif), etc. Pour cette veille technologique, les capteurs ont été classés en cinq catégories, à savoir : visible (EO), infrarouge thermique, multispectrale, hyperspectrale et LiDAR.

Capteurs visibles Les capteurs visibles, souvent appelés EO pour électro-optique dans le domaine des SAT, sont des systèmes simples permettant de faire l’acquisition d’images dans le domaine du visible [0.4 - 0.7 μm] du spectre électromagnétique. Ils sont généralement composés d’un capteur d’image de type CCD ou CMOS dont la résolution peut varier de quelques milliers de pixels à plusieurs millions. La résolution est exprimée en mégapixels. Ils peuvent être monochromes ou couleur (fusion de trois bandes spectrales : rouge – vert – bleu). Ils peuvent être équipés de différentes optiques (lentilles et filtres) qui peuvent modifier les paramètres d’acquisition telle que la résolution spatiale au sol des images.

L’utilisation de caméras grand public (compact et reflex numérique), telle que celle vendue par Nikon ou Sony est de plus en plus répandue et offre une qualité d’image tout à fait acceptable étant donné la faible altitude des vols. Le coût d’acquisition de ces caméras est relativement faible, entre 500 et 5 000 $ selon les modèles. Il existe des systèmes de caméras industrielles comme ceux développés par Prosilica qui peuvent se détailler à plus de 10 000 $ et qui doivent être utilisés en combinaison d’un ordinateur de contrôle.

Les domaines d’application pour ce type de capteur sont très variés allant de la surveillance, à la foresterie en passant par le génie civil. La grande variété de capteurs disponibles permet de sélectionner la meilleure solution en fonction des exigences de l’application visée.

Capteurs infrarouge-thermique Les capteurs infrarouge-thermiques sont aussi très utilisés dans le monde des SAT. Ils fonctionnent dans le domaine de l’infrarouge thermique, soit environ entre 7,5 et 14 μm du spectre électromagnétique. Les caméras infrarouge de base fournissent seulement un gradient de température (de froid à chaud) pour chaque prise alors que les caméras de plus haute gamme offrent une calibration radiométrique pour une gamme choisie de température et fournissent une lecture de température pour chaque pixel. Ce type de capteurs est généralement de plus faible résolution. Les systèmes disponibles sur le marché présentent une résolution maximale de 640 x 480 pixels. Leur coût d’acquisition varie entre 5 000 et 10 000 $. Il est à noter que certains systèmes, notamment ceux vendus aux États-Unis, sont régis par l’International Traffic in Arms Regulations ce qui peut complexifier l’achat de ces systèmes.

Les applications utilisant ce type de capteur sont aussi très variées. Utilisés initialement dans le domaine de la sécurité et de la surveillance, ils sont maintenant utilisés en agriculture pour cartographier le stress hydrique des plantes et en foresterie pour détecter les points chauds lors des opérations contre les feux de forêt.


Capteurs multispectraux Les capteurs multispectraux font l’acquisition de plusieurs bandes spectrales qui peuvent être positionnées dans le domaine du visible (0.4 - 0.7 μm) et du proche infrarouge (0.7 – 1.1 μm) du spectre électromagnétique. Ces capteurs sont plus spécialisés et leur coût d’acquisition varie entre 7 500 et 15 000 $. Il existe des systèmes professionnels spécifiquement développés pour les SAT, comme ceux conçus par Tetracam ou MicaSense et des systèmes plus artisanaux qui sont le fruit de modifications apportées à une caméra grand public. Certaines compagnies, comme LDP LLC – MaxMax, PetaPixel et LifePixel se spécialisent dans la modification d’appareils réguliers en appareils à gamme spectrale spécifique cameras ce qui peut constituer une solution de remplacement peu coûteuse et efficace.

Les capteurs multispectraux sont utilisés principalement en agriculture, en foresterie ou dans les applications environnementales. Les multiples bandes spectrales permettent de dériver des indices de végétation, telles que le NDVI (normalized difference vegetation index) qui est sert fréquemment comme paramètre indirect déterminant l’état biophysique de la végétation.

Capteurs hyperspectraux Les capteurs hyperspectraux sont des systèmes complexes qui acquièrent des données dans plusieurs dizaines de bandes spectrales dans les domaines du visible et de l’infrarouge. Leur coût d’acquisition peut s’élever à plus de 40 000 $. L’offre actuelle pour ce genre de capteur est plutôt limitée, notamment en raison de leur complexité et de l’expertise spécifique nécessaire à leur utilisation et à l’analyse du volume important de données recueillies. Resonon et Rikola fabriquent et distribuent des systèmes hyperspectraux pouvant être intégrés sur un SAT. Les domaines d’application pour ce type de capteur sont principalement en agriculture, en foresterie et en environnement.

Systèmes LiDAR Apparus très récemment dans le domaine des ASP, les systèmes LiDAR représentent la nouvelle étape dans le développement des capteurs embarqués sur ASP. De manière analogue au radar, la technologie LiDAR fonctionne selon le principe du calcul du temps de propagation d’une onde (visible ou infrarouge) réfléchie ou rétrodiffusée par une cible. Les capteurs LiDAR sont « actifs » puisqu’ils émettent leur propre source d’énergie. À l’inverse, les capteurs optiques classiques utilisés en photographie aérienne sont « passifs » puisqu’ils capturent la lumière d’une source externe d’énergie qui est réfléchie par l’objet capté.

La mesure du temps de retour de l’onde émise par le capteur permet de calculer la distance entre ce dernier et la cible. Par ailleurs, l’analyse des propriétés du retour du faisceau laser, ou des échos permet dans certaines situations d’obtenir de l’information supplémentaire. Par exemple, en milieu forestier l’onde émise par un capteur LiDAR aéroporté donnera plusieurs échos qui correspondront au sol, à la limite supérieure de la canopée ainsi qu’aux différentes couches intermédiaires. La capacité du LiDAR à pénétrer à travers les ouvertures de la végétation et à atteindre le sol en fait une technologie très recherchée, particulièrement en foresterie.

À l’origine, les systèmes LiDAR étaient trop volumineux et lourds pour être installés sur de petits appareils, mais depuis quelque temps certaines compagnies ont développé des versions miniatures pouvant être intégrées sur des aéronefs sans pilote.


Par exemple, Riegl et l’Avion Jaune ont respectivement développé le VUX-1 et le YellowScan. Ces systèmes, bien que très intéressants, sont dispendieux (environ 300 000 $ pour le VUX-1) et demeurent un investissement risqué, en considérant les risques d’atterrissages « durs » fréquents avec les SAT.

Il existe aussi des systèmes LiDAR moins dispendieux qui ne sont pas initialement développés pour être installés sur des aéronefs, mais qui présentent des caractéristiques intéressantes, notamment en termes de taille et de poids qui permet de les intégrer sur des SAT. Ces systèmes se détaillent autour des 30 000 $ et doivent être intégrés avec une station inertielle et un ordinateur de contrôle. Le coût d’acquisition de l’ensemble des composantes reste bien en deçà du coût des systèmes professionnels ce qui les rend très attractifs pour les développeurs. Plusieurs compagnies et organisations travaillent actuellement à l’intégration de ce type de systèmes sur des SAT.

Équipements pour le contrôle de la navigation Dans certains cas, les systèmes de caméra doivent être intégrés à d’autres composantes, telles que des GPS, station inertielle (INS-GPS) ou ordinateur de contrôle. Ces équipements peuvent représenter un investissement substantiel puisque certains INS-GPS peuvent se détailler à plusieurs milliers de dollars. Il est à noter que ces composantes augmentent aussi le poids total du système d’acquisition ce qui diminue l’autonomie des plateformes.

Équipage Aux composantes physiques, s’ajoute l’équipage qui pilote le SAT qui peut être composé d’une ou de plusieurs personnes. Pour les systèmes plus simples, l’équipage peut être composé d’un seul individu qui s’occupera de planifier la mission, de piloter le SAT et de manipuler la charge utile. Toutefois, pour des raisons de sécurité, Transport Canada suggère qu’une deuxième personne soit également présente lors des missions pour permettre au pilote de concentrer toute son attention sur le vol. Les systèmes complexes peuvent nécessiter un équipage plus important composé de plusieurs membres. Ils auront des tâches bien définies, telles que le pilote, le copilote, l’opérateur de charge utile, les ou les observateurs et le responsable des opérations.

3. LA RÉGLEMENTATION

L’utilisation commerciale des SAT étant relativement assez récente, les organisations qui régissent l’aviation dans la majorité des pays du monde tardent à s’adapter. Par contre, certains pays comme la France ont rapidement mis en place une nouvelle réglementation qui encadre l’utilisation des SAT qui sont classés par catégories basées sur le type d’utilisation et le poids de l‘appareil. Du côté américain, la FAA a pris quelques pas de recul pour des considérations de sécurité nationale. Ainsi, elle autorise des vols de SAT commerciaux et pour la recherche uniquement dans l’un des cinq sites d’essais approuvés.

Au Canada, les opérations de SAT sont régies par Transport Canada en vertu du Règlement de l’aviation canadien. L’article 602.41 du RAC stipule :

« Il est interdit d’utiliser un véhicule aérien non habité à moins que le vol ne soit effectué conformément à un certificat d’opérations aériennes spécialisées ou à un certificat d’exploitation aérienne »


Depuis novembre 2014, Transport Canada a assoupli cette règle par deux exemptions pour certaines activités menées avec de très petits (moins de 2 kg) et de petits (de 2 à 25 kg) SAT (hyperlien). Ces exemptions comportent une liste de conditions strictes de sécurité auxquelles les utilisateurs doivent se conformer en tout temps, notamment les suivantes : limites d’altitude; distances minimales par rapport aux aérodromes et aux autres dangers; et utilisation dans un espace aérien précis et en visibilité directe. Dès que ces conditions ne pourront être respectées, l’utilisateur devra soumettre une demande de certificat d’opérations aériennes spécialisées.

Les demandes de COAS peuvent être complexes dépendamment du type d’appareil utilisé et de la mission. Les détails du contenu d’une demande de COAS sont présentés plus loin dans ce document.

Étant donné l’accroissement phénoménal du nombre de demandes soumises, Transport Canada a de la difficulté à répondre aux demandes dans le délai ciblé de 20 jours ouvrables. Il est donc très important de déposer les demandes en avance pour s’assurer que la date prévue pour la mission soit respectée. Dans le contexte actuel, nous suggérons de déposer les demandes au moins 2 mois à l’avance. De plus, même pour des opérations devant se dérouler sur une seule journée, il est important de prévoir une plage de quelques jours, voire de semaines, et ce, pour éviter que la mauvaise météo ou des problèmes techniques ou de logistiques compromettent la réalisation des opérations.

Formation de pilotage de SAT légers Dans sa forme actuelle, la réglementation de Transport Canada n’oblige pas les opérateurs de SAT à détenir une formation certifiée spécifique. Par contre, l’expertise des opérateurs est prise en compte dans l’évaluation des demandes de COAS et on exige formation théorique de pilotage dans les critères d’exemptions des petits UAV. Il est donc plus que souhaitable que les opérateurs aient suivi une formation minimale sur les différents concepts liés à l’utilisation de SAT (réglementation, météorologie, théorie de vol, protocole de communication radio, etc.). Les personnes ou organisations intéressées à suivre une formation sur l’opération de SAT peuvent s’adresser aux entreprises spécialisées dans le domaine. À l’hiver 2015, Système Télécommandé Canada a préparé une liste d’organisme fournissant des cours de pilotage spécifiques pour les SAT qu’elle espère mettre à jour périodiquement (hyperlien).

En plus de la formation de base sur l’opération de SAT, il est possible de recevoir à l’achat de certaines plateformes une formation adaptée de la part du manufacturier ou du distributeur de l’appareil. Cette formation pourra permettre aux opérateurs de connaître en détail les caractéristiques propres à l’appareil. Ce type de formation n’est pas obligatoire pour l’opération de SAT, par contre elles permettent d’augmenter la crédibilité de la demande auprès de Transports Canada.

Contenu d’un COAS Cette section est consacrée à la description du contenu minimal d’une demande de COAS. Le lecteur est invité à se référer au document de Transport Canada pour les détails complets (hyperlien).


Équipe d’opération

Coordonnées du demandeur et du gestionnaire des opérations Le demandeur est l’entreprise ou la personne qui possède le SAT. Le gestionnaire des opérations est la personne désignée par le demandeur qui sera responsable de l’ensemble des opérations et qui s’assurera que les obligations incluses dans le COAS sont respectées. C’est également cette personne qui sera rejointe par Transport Canada dans l’éventualité où il y aurait un problème. Il est important de fournir la façon dont cette personne pourra être rejointe durant les opérations de vol en tout temps.

Opérateurs et définition des tâches de l’équipe terrain Lors des sorties terrain, une équipe de travail doit être déterminée. Il est important de décrire les tâches de chaque membre de l’équipe et leurs qualifications (cours d’opérateur radios, formation de pilote, expérience acquises).

Description du plan des opérations

Type et but des opérations Expliquer de façon générale le but des opérations visé par la demande de COAS.

Dates d’opération et dates de remplacements Il est préférable de demander une période s’échelonnant sur plusieurs semaines afin de s’assurer que les conditions météorologiques soient optimales pour les opérations de même que pour pallier à certains imprévus qui pourraient survenir en cours de route. Il est également possible de proposer une date de remplacement advenant le cas où les vols ne pourraient être effectués lors de la première période visée. Dans tous les cas, il est nécessaire d’envoyer un avis à Transport Canada deux jours avant les opérations pour confirmer les opérations. Celui-ci devra comprendre l’ensemble des éléments permettant d’entrer en contact avec les différents opérateurs et reprendre les informations descriptives des missions.

Heures des opérations On exige généralement que les vols soient effectués une heure après le lever du soleil et s’arrêtés une heure avant le coucher du soleil.

Autorisation de survol L’utilisateur d’un SAT devra avoir en main les autorisations de chacun des propriétaires des terrains où seront effectués les vols. Les lettres devront être jointes en annexe.

Assurance Le demandeur devra démontrer qu’il dispose d’une assurance de responsabilité civile pour l’opération du SAT.

Conditions climatiques L’utilisateur devra indiquer les limites météorologiques d’opération de l’aéronef. Il devra également spécifier la méthode ou l’équipement qui lui permettent de vérifier si les limites de l’aéronef sont respectées et la procédure qui suivra dans le cas contraire.


Description des zones de vol L’utilisation des SAT est soumise à des restrictions dans les agglomérations urbaines, les zones bâties ainsi qu’autour des aéroports et des opérations de contrôle d’incendies forestiers. Certaines conditions primordiales s’appliquent à toutes les utilisations visées par un COAS, notamment l’obligation pour l’exploitant de faire voler le véhicule uniquement « au-dessus de zones qui lui permettraient de se poser en toute sécurité à la surface sans faire courir des risques aux personnes ou aux biens, au cas où surviendrait une situation d’urgence nécessitant une descente immédiate ».

Si le terrain est connu, il est préférable de décrire et localiser chacune des zones. Le plan devra être à l’échelle et devra comprendre les points suivants :

• Les altitudes et les routes qui seront utilisées pour l’approche vers les zones où se dérouleront les opérations et pour le départ de ces zones;

• L’emplacement et la hauteur de tous les obstacles situés sur la trajectoire d’approche et de départ de la zone;

• Les coordonnées des limites de la zone où se dérouleront les opérations;

• Tout autre renseignement pour faire en sorte que les opérations se dérouleront en toute sécurité.

Déroulement des opérations aériennes L’utilisateur décrira de quelle façon l’appareil effectuera son vol : le mode de décollage, le mode d’opération du SAT, les lignes de vols, la durée, le mode d’atterrissage, les altitudes prévues, la campagne d’acquisition de même que le rayon qui permettra à l’équipe d’avoir un contact visuel permanent avec le SAT.

Description de l’aéronef

Caractéristiques techniques Le demandeur devra décrire les caractéristiques techniques et les performances de l’appareil. Pour fournir un maximum de détails sur l’appareil, il est suggéré d’annexer le manuel de l’utilisateur à la demande.

Modes d’opération du SAT Si l’appareil est utilisé avec un émetteur récepteur, il faudra aussi faire la description de chacun d’entre eux ainsi que de communication établie avec l’aéronef.

Mesures d’urgence

Responsable des mesures d’urgence Assigner la personne responsable de la sécurité et indiquer les mesures qui seront prises pour pallier à tout problème qui pourrait subvenir lors de situations d’urgences.

Plan de sécurité « La sécurité des vols constitue la préoccupation première de Transports Canada au moment de délivrer le COAS. » T.C.


Les opérateurs d’aéronefs sans pilote doivent s’assurer qu’aucune personne non essentielle aux opérations ne sera présente dans la zone de vol durant les opérations. Ils devront indiquer les mesures qui seront prises en cas de présence humaine dans la zone d’atterrissage et de décollage de même que si un autre aéronef est présent dans la zone de vol désignée. Au besoin, si l’opérateur n’est pas en mesure de contacter l’autre appareil, il devra faire atterrir en urgence le SAT. Il sera également nécessaire d’expliquer les démarches qui seront prises en cas de perte de communication entre l’appareil et la station de contrôle au sol ou en cas de perte de signal GPS.

Plan de mesure d’urgence Le plan de mesure d’urgence doit être décrit tel qu’il sera communiqué à la tour de contrôle pour l’informer de la situation.

Services d’urgence Le demandeur du COAS doit préciser et démontrer qu’il connaît les services d’urgence (incendie et police) en place près de la zone de vol. Il devra les informer des opérations qui auront lieu dans la région, et ce dès la réception de l’approbation du COAS. Il devra avoir en main les numéros des différents services d’urgence de la municipalité.

Relations avec les autres structures régionales Il sera pertinent de transmettre les informations relatives aux opérations aux différents aéroports de la région ainsi qu’aux exploitants d’opérations aériennes présents dans la région.


4. VEILLE TECHNOLOGIQUE

Une veille technologique a été réalisée par le Centre de géomatique du Québec (CGQ) sur les plateformes, les capteurs ainsi que les logiciels de traitement d’images pour recenser les systèmes d’aéronef télépiloté (SAT) actuellement disponibles. Un tableau comparatif a été créé pour décrire chacune des catégories. Ces tableaux peuvent être utilisés pour analyser les équipements et déterminer des solutions adaptées aux opérations en milieux forestiers. Ils sont disponibles sur le site Internet de FPInnovations (hyperlien). Le lecteur notera que cette veille a été effectuée en novembre 2014 et que la technologie évolue très rapidement dans ce domaine.

Plateformes Plus d’une cinquantaine de plateformes SAT ont été recensés et compilées dans le tableau comparatif. Celui-ci comprend un grand nombre de caractéristiques qui permettent de bien faire ressortir les différences entre les appareils. Les critères principaux ont été choisis en considérant l’utilisation de SAT pour des applications forestières :

• L’autonomie;

• Le poids;

• La charge utile;

• Le système d’alimentation;

• Le coût d’acquisition;

• La capacité d’opérer dans un espace restreint;

• La facilité de prise en main de l’appareil;

• La stabilité de l’appareil.

Capteurs Il existe sur le marché une très grande panoplie de capteurs pouvant être installés sur des SAT. Dans cette veille, c’est près de 70 capteurs qui ont été recensés. Ils ont été subdivisés en cinq catégories, à savoir : visible (EO), infrarouge thermique, multispectrale, hyperspectrale et LiDAR. Il est important de noter que plusieurs systèmes SAT inclus des capteurs qui sont intégrés à l’aéronef et qu’il n’est pas possible de les interchanger. Ces systèmes sont généralement plus dispendieux, mais offrent une plus grande facilité d’utilisation. À l’inverse, il existe des capteurs spécifiquement développés pour une utilisation sur un SAT, mais pas nécessairement sur un modèle en particulier. Le tableau comparatif recense tous les types de capteurs sans égard à leur degré d’intégration sur une ou des plateformes. L’analyse des capteurs est basée sur l’utilisation pour des applications forestières. Les critères principaux ont été :


• La taille et le poids;

• Le degré d’intégration (modifiable ou non);

• La résolution spatiale (taille et nombre de pixel);

• L’autonomie (besoin d’un ordinateur de contrôle ou pas);


• Les types d’opération possibles.

Logiciels de traitement d’images et de modélisation 3D Une fois les images acquises, il est nécessaire de les assembler en une image continue et d’en faire le traitement pour en extraire le maximum d’information. Ces traitements sont réalisés à l’aide de logiciels spécialisés plus ou moins complexes et dispendieux selon les fonctionnalités offertes. Il est important de noter que ces logiciels, à l’instar des SAT et des capteurs, demandent un certain niveau d’expertise et peuvent représenter un défi important pour des personnes n’ayant pas les qualifications requises. Par ailleurs, l’étape de traitement d’image est souvent négligée, mais elle peut représenter le plus gros du travail à réaliser. Il est donc important de sélectionner une solution logicielle efficace et rapide.

Depuis quelques années sont apparus sur le marché de nouveaux logiciels de traitement d’images performants et bien adaptés aux images acquises par SAT. Le tableau comparatif présente près d’une vingtaine de logiciels qui ont été utilisés pour proposer une solution optimale. Les critères principaux étaient :

• La facilité d’utilisation;

• L’interface utilisateur;

• Le support technique;


• Les fonctionnalités;

• La formation.


5. CONSEILS POUR LE DÉPLOIEMENT

La veille technologique ainsi que l’analyse réalisée dans le cadre de ce projet ont permis de cibler des solutions présentant des caractéristiques pouvant répondre aux exigences dictées par l’utilisation de SAT en milieux forestiers. Quelques critères clé sont suggérés ci-dessous.

Choix d’un système Les plateformes de type voilure tournante répondent bien à une limitation très présente en forêt, à savoir l’espace disponible pour les opérations de décollage et d’atterrissage. Ce type d’appareil peut effectuer ces opérations dans un espace limité d’aussi peu que 2m x 2m.

Le poids du système est également un facteur important qui doit être considéré. En effet, l’appareil et ses composantes doivent pouvoir être transportés par une seule personne puisque les opérations ne se déroulent pas toujours à proximité d’une route. Il doit donc être léger et compact.

Par ailleurs, la prise en main du système doit être relativement facile. Les personnes qui seront appelées à utiliser cet appareil devront être autonomes et capables de préparer la mission, d’opérer l’appareil et de le réparer en cas de bris. Ce dernier élément est important puisque les distances entre le lieu d’opération et les bureaux de l’organisation pouvant être grandes, il est plus que probable que les opérateurs aient à réparer l’appareil.

Des SAT à faible coût facilement disponible sur le marché offrent une solution potentielle aux applications de reconnaissance et de suivi, mais ne possèdent pas les caractéristiques nécessaires pour la production de produits cartographiques de qualité.

Formation La formation des opérateurs est primordiale. Une formation formelle devient plus facile à acquérir au fur et à mesure que les compagnies proposant des cours spécifiques aux SAT se développent. Les opérateurs doivent également être formés sur les particularités d’opération et de d’entretien de l’appareil acquis par le manufacturier ou le distributeur.

Gestion des données Les images de plateformes SAT sont recueillies à faible altitude et à haute résolution. Ces systèmes produisent donc un très grand volume de données qui pose un défi majeur de gestion pour le traitement et l’archivage. Par exemple, un site forestier de 2 ha capturé à 60 mètres d’altitude l’aide de 100 photos à haute résolution (supérieur à 1 cm par pixel) génèrera un volume de données de près de 3 GB. Les enregistrements vidéo pour le suivi d’opérations généreront souvent des fichiers encore plus grands pour les mêmes superficies que les photos.

Pour de meilleures performances lors du traitement des données, les développeurs de logiciel de traitement recommandent des configurations d’ordinateurs de base, avancées et extrêmes. Par exemple, Agisoft recommande une configuration de base avec 32GB de RAM, un processeur à quatre cœurs Intel CPU, une carte mère LGA 1155 avec 4 fentes DDR3 et une carte graphique NVDIA GeForce GTX 780 pour traiter les données de grandes images. À l’extrême, on pourrait également utiliser une station de travail Xeon d’Intel.


Une solution d’archivage adéquate pour les données brutes et traitées sera mise en place en tenant compte de la quantité de données générée chaque année et l’utilisation future prévue de l’information. Plusieurs solutions de sauvegarde sont disponibles sur le marché pour le stockage local ou par l’entremise de services infonuagiques (cloud).

Qualité des produits La qualité d’une mosaïque de photos ou d’une carte produite à partir de celle-ci peut être mesurée de diverses façons – la quantité de détails présents, l’échelle absolue ou relative de la carte, la précision horizontale ou verticale, etc. Un niveau de détail élevé peut être obtenu de capteurs avec une grande sensibilité à la lumière ou une plage dynamique étendue (ratio du signal maximum d’intensité lumineuse sur le signal minimum). Des capteurs à haute résolution ne produiront pas nécessairement des produits de qualité. Le niveau de détails capturés dépend également de facteurs externes lors de l’acquisition, particulièrement les conditions de lumière et la stabilité de la plateforme aux vents. Un éclairage clair avec un minimum d’ombres fournira des images de meilleure qualité qui faciliteront la production de mosaïques et de modèles 3D de bonne qualité. La précision de positionnement (géolocalisation) et la précision vertical sont reliées à la qualité du GPS et de la station inertielle (IMU) du SAT ainsi qu’à la capacité de logiciel de traitement de les utiliser dans la production de modèles.

6. CONCLUSION

Cette veille technologique visait à présenter la technologie des SAT au secteur forestier, incluant les plateformes, les capteurs embarqués et la réglementation régissant l’opération des aéronefs sans pilote au Canada. Une veille technologique a aussi été menée sur les plateformes, les capteurs, ainsi que les logiciels de traitement d’images. Il faut noter que la technologie des SAT évolue très rapidement et que dans l’espace de quelques mois de nouvelles solutions peuvent apparaître sur le marché. La veille est donc un instantané d’une période spécifique dans le temps. Les résultats sont fournis sous forme de tableaux qui peuvent être consultés sur le site Internet de FPInnovations. Les tableaux comparatifs sont disponibles pour faciliter l’analyse de solutions adaptées au contexte des opérations forestières.

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Documents

Systèmes d’aéronefs télépilotés pour les opérations