1. Président de la société Info Géo Drones. Courriel : emmanuel.pizzo@infogeodrones.fr 2. Présidente de la société MICA Environnement. Courriel : a.vincent@mica-environnement.com

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L’apport de la technologie Lidar embarquée sur drone pour l’exploitation des carrières et mines à ciel ouvertEmmanuel Pizzo1 et Anne Vincent2.

Depuis avril 2012 et la mise au point de la réglemen-tation autorisant l’emploi des drones dans l’espace aérienfrançais,de multiples opérateurs utilisant ces petites machinesvolantes proposent leurs services d’imagerie aérienne auxexploitants des carrières, gravières et autres mines à cielouvert. L’utilisation de ces machines associées à de l’image-rie apporte des gains évidents en termes d’exploitation :quand des géomètres doivent arpenter l’ensemble d’une car-rière pour faire des mesures, le drone est capable, lui, enquelques minutes,d’apporter les images permettant de réa-liser le modèle topographique en 3D de la carrière,d’évaluerau mètre cube près ce qui a été exploité depuis le survol pré-cédent et de planifier les travaux à venir. Ainsi, la techniquede la photogrammétrie à haute résolution spatiale s’est pro-gressivement imposée chez les opérateurs de drone – et parricochet chez les exploitants de carrières et mines à ciel ouvert– comme LA technique permettant la modélisation en 3Ddes espaces et des volumes d’un site en exploitation.

Si cette technique photogrammétrique est d’un trèsgrand intérêt pour les levés dans le cadre d’une exploitationen cours,donc pour un site sans végétation et avec un sol nu,elle s’avère très vite inopérante pour fournir des informa-tions géographiques dans le cadre d’une extension de site quiprésente une couverture végétale boisée.En effet,bien sou-vent,l’exploitation du gisement de matériaux n’est pas d’em-blée réalisée sur l’intégralité du site et des réserves foncièressont constituées afin de garantir l’exploitation de la carriè-re sur le long terme.Or,ces réserves foncières,et les réservesde minéraux industriels ou de matériaux de construction,sontparfois recouvertes d’une épaisse végétation : broussailles,arbustes, arbres... Ce couvert végétal, plus ou moins dense,peut gêner,voire empêcher, l’acquisition des données topo-graphiques indispensables à l’extension de l’exploitation.Eneffet,la technologie d’acquisition par photogrammétrie surdrone, classiquement utilisée, ne permet pas d’obtenir l’in-formation précise de l’altimétrie au niveau du sol en pré-sence de boisement.Cette information est donc approchéeà partir d’une estimation de la hauteur des arbres.

Une technologie – le Lidar – permet néanmoins derépondre à cette problématique.Cette technologie permeten effet de fournir un levé topographique en 3 dimensionssous la forme d’un semi de points, permettant de générerdes courbes de niveau. En outre, il permet notamment decompléter avec une très grande précision, les levés au sol

réalisés classiquement par un géomètre expert qui matéria-lise les hauts/bas de talus,les pistes et autres infrastructures.

Récemment testée sur un secteur d’extension poten-tielle d’une mine de bauxite dans le sud de la France,par unopérateur drone, Info Géo Drones, prestataire de servicesaériens pour la transition énergétique et l’économie circulaire,en partenariat avec MICA Environnement, bureau d’étudesspécialisé dans le secteur des mines et carrières, cette tech-nologie,embarquée sur un drone,a permis la restitution dela topographie en 3D de la zone en un temps record : à peine 10 minutes d’acquisition par le drone et moins de 3 jours pour la restitution d’un plan,aux normes de l’industrie !

La technologie du Lidar embarquée sur un drone

Le Lidar (acronyme de l’expression anglaise « Lightdetection and ranging ») est la technologie de télédétec-tion de choix pour mesurer les distances,de quelques mètresà plusieurs kilomètres.Si son principe de fonctionnement estsemblable à celui du radar (il mesure le temps de propaga-tion d’une onde rétrodiffusée ou réfléchie par une cible), leLidar permet de calculer la distance et de cartographier l’environnement avec une plus grande précision.

On peut citer plusieurs applications du Lidar en topo-graphie (géomorphologie,altimétrie etbathymétrie),en géos-ciences (risque sismique,météorologie et physique de l’atmo-sphère) mais aussi en archéologie,en prospection aérienne ouen guidage automatique de véhicules terrestres ou spatiaux.Si on s’intéresse aux applications topographiques, cette technologie utilisée en mode aéroportée (par des avions, deshélicoptères mais aussi des ULM et maintenant des drones,avec la société Info Géo Drones, opérateur innovant dans cedomaine) permet de fournir des modèles numériques de terrain (MNT) ou de surface (MNS) avec une très grande efficacité. En effet, le Lidar est la seule technique de télédé-tection capable de détecter simultanément la surface du sol etla végétation : le rayon laser pénètre la végétation afin de « voir » ce qu’il y a en-dessous.

Une partie des impulsions laser (que le Lidar envoieà haute fréquence vers la surface) passe à travers les inter-stices de la végétation pour atteindre le sol : la réflexionde ces projections est alors captée par le Lidar aéroporté.Cettetechnique non intrusive est particulièrement adaptée aux

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levés topographiques de zones très boisées, accidentéesou difficiles d’accès. Ces impulsions laser ( jusqu’à plusieursmillions de points à la seconde) sont envoyés sur un axe rota-tif,perpendiculaire au déplacement du drone,ce qui va per-mettre de représenter l’environnement dans un nuage depoints au fur et à mesure de la progression du drone.

Le drone étant en mouvement, le système Lidardoit être couplé à une centrale inertielle qui va restituer,pour chaque point levé, la position et l’orientation dulaser, et bien entendu, à un logiciel permettant l’inter-prétation des points générés par le capteur en cohérenceavec les données de la centrale inertielle.

Ainsi, le Lidar embarqué sur un drone apparait com-me une technologie d’intérêt quand il s’agit de cartographierdes terrains sous couverture végétale, comme c’est le caspour les études d’extension de carrières ou de mines à cielouvert.Une campagne de test,en septembre 2016,condui-te dans le département de l’Hérault,et plus précisément surdes sites d’exploitation de bauxite,a permis de vérifier quele Lidar pouvait être utilisé dans le secteur des mines etcarrières. Info Géo Drones, déjà fort d’une expérience deplusieurs dizaines d’hectares survolés avec le drone Lidar,s’est donc associé à MICA Environnement, acteur reconnudans le secteur des industries minérales et des études envi-ronnementales, pour réaliser cette preuve de concept.

La preuve de concept sur la mine de bauxite dans l’Hérault

Le site choisi est une mine en cours d’exploitation(Photo 1), d’une surface maximale de 75 ha (avec les zonesd’extension) avec plusieurs dizaines d’hectares de réservesfoncières, potentiellement exploitables dans le futur.

De manière plus précise, l’attention s’est focali-sée sur un ancien site d’exploitation, recouvert en partiede végétation, jouxtant une zone d’extension possible : lasurface totale de la zone à cartographier avec le capteurLidar étant de l’ordre de 6 ha, avec un dénivelé d’une cin-quantaine de mètres (Photo 2).

Les reliefs dominant la mine sont recouverts d’uneépaisse végétation de garrigue dense, d’une hauteur com-prise entre 5 et 10 mètres, peu propice à des prises demesure par une équipe de géomètres à pied (Photo 3).

Après l’exposé des mesures de sécurité par le res-ponsable de la carrière, l’équipe en charge du test (membresdes sociétés Info Géo Drones et Mica Environnement) amis en place une station de réception GPS sol (Photo 4)reliée au réseau de correction Orphéon (système d’aug-mentation de précision en temps réel) et au Lidar embar-qué sur drone, afin de lui fournir en temps réel les correc-

tions GNSS (« Global Navigation Satellite System ») avecune précision centimétrique indispensable pour garantirune précision inférieure à 5 cm pour les modèles 3D.

Dès l’acquisition du signal GNSS obtenu, à la foispour le drone et pour la station base, le drone (Photo 5) apu s’envoler pour suivre un plan de vol automatique etprédéfini, en fonction de la densité de points laser recher-chée (de l’ordre de 50 points / m2, nécessaire pour traverser la végétation) et de la nature du relief.

La zone, un carré approximatif de 250 m de longsoit plus de 6 ha,a ainsi été survolée en moins de 6 minutespar le drone,qui évoluait à une hauteur de 50 m par rapportau sol : la fauchée du capteur (largeur de la bande de ter-rain acquise par le drone en déplacement) étant de l’ordrede 50 m, les différentes lignes de vol se recoupaient afin de

Photo 1. Vue aérienne du site de test (source : Google Earth).

Photo 2. Fond de la mine (source : Info Géo Drones).

Photo 3. Vue générale (source : Info Géo Drones).

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3. Logiciel de topographie, terrassement, projet d’exploitation, pour l’industrie du secteur minier, de l’industrie extractive et des métiers de l’environne-ment (société CORALIS) – www.coralis.com4. Logiciel de topographie, de terrassement, de voirie urbaine et de conception de projets VRD de la société GEOMEDIA – www.geomedia.com5. Logiciel de planification géologique de Dassault Systèmes – www.3ds.com

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densifier l’acquisition et le nuage de points Lidar obtenu.Dès l’atterrissage du drone,les données Lidar et GNSS

ont pu être récupérées via la clef USB du capteur afin desubir un premier contrôle qualité sur le terrain.Celui-ci s’étantavéré positif,le traitementdes données,via une suite logicielle,a pu débuter : un module a permis de traiter le nuage depoints Lidar,un autre module a été utilisé pour améliorer laqualité et la cohérence des coordonnées géographiques,puis un dernier module a permis la réalisation des modèlesnumériques de terrain et de surface (Photo 6), à la résolu-tion spatiale et précision géographique demandée.

Ces modèles numériques ont ensuite été transmisau bureau d’études MICA Environnement afin de conver-tir le MNT en plan topographique, directement injectabledans les logiciels de topographie de type CORALIS3, COVA-DIS4, SURPAC MINING5 et de SIG (Système d’InformationGéographique) couramment utilisés dans le secteur desmines et carrières (Photo 7). Une fois transférés, des pro-fils, vues 3D, et calculs de volumes ont pu être réalisés.

Au total, les délais d’acquisition de données sur leterrain, de traitement de ces données et de restitution del’information dans un format compatible avec les logi-ciels industriels du secteur sont de l’ordre de la semaine.

Perspectives d’application de la technologie Lidar au secteur des industries extractives

La démonstration a ainsi pu être faite de l’emploi dela technologie Lidar pour fournir un modèle numérique deterrain en 3D à l’exploitant,sous un format compatible avecson propre logiciel de traitement de topographie et SIG,et cedans le but que celui-ci puisse réaliser ses propres mesuresgéo-référencées :hauteur des gradins,largeur des banquettes,calcul des pentes ou des volumes… Au-delà de cette preuvede concept, plusieurs pistes émergent pour développer lesapplications de cette technologie Lidar pour les différentsstades de l’exploitation d’une mine ou d’une carrière :

dès la demande d’autorisation d’exploiter : la conceptiondu projet d’exploitation ainsi que l’étude d’impact néces-sitent un état topographique initial précis. En mêmetemps, l’exploitant doit calculer les volumes exploitables,et fixer la cote de base qu’atteindra son projet d’exploi-tation et qui sera notamment notifiée dans son Arrêté Pré-fectoral d’autorisation. Une erreur de plusieurs mètressur l’altimétrie des terrains peut donc être préjudiciable.

Photo 4. La station de réception GPS (source : Info Géo Drones).

Photo 5. Le drone équipé du capteur Lidar (source : Info Géo Drones).

Photo 6. Le nuage de points Lidar (source : Info Géo Drones).

Photo 7. Plan topographique de la mine. Élévations en mètres (source :MICAEnvironnement).

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Dans le cas de terrains végétalisés, l’utilisation du Lidarprend ici tout son sens, et permettra ainsi de produireune topographie du sol et de la végétation, nécessairepour l’estimation précise des volumes à exploiter,notam-ment de découverture, ainsi qu’un état initial incontes-table du couvert végétal et de la biomasse, informationnécessaire au dossier de demande de défrichement ;lors de l’exploration : le haut degré de résolution coupléà l’affranchissement possible de la végétation rendentpossible l’utilisation de MNT pour aider à l’analyse géo-logique structurale d’une zone de recherche. En effet, àl’instar de l’utilisation de données radar satellites à haute résolution, les données Lidar pourraient être utilisées comme données d’entrée des SIG et logicielsd’analyse structurale avec une précision bien supérieure.À noter que le couplage entre cette capacité d’acquisi-tion aéroportée de données Lidar et l’analyse structuraleest un des axes de développement de la société InfoGéo Drones pour les prochains mois ;

enfin, pour la remise en état des sites, au-delà du poten-tiel suivi de la stabilité des aménagements via la topo-graphie, une perspective de développement serait le suivi quantitatif, voire semi-qualitatif de la reprise de lavégétation sur certains sites. En effet, si la technologieLidar permet de discriminer le signal venant du sol decelui réfléchi par la végétation, elle permet aussi l’esti-mation de la biomasse,voire la reconnaissance des espècessous certaines conditions restant à établir. Ce type d’application est encore au stade de recherche appliquéemais pourrait se développer dans les années à venir.

En conclusion, il convient donc de noter que pho-togrammétrie et Lidar sont des technologies complé-mentaires, apportant chacune des informations diffé-rentes pour les exploitants de mines et carrières, enfonction du besoin exprimé et de la nature du terrain.Ceci étant, la différence fondamentale réside bien dans la capacité de discrimination de la végétation offerte parle Lidar, autorisant ainsi la réalisation de modèles 3D réalistes et crédibles pour la planification d’exploitation.

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