Une équipe de scientifiques et d’ingénieurs de la NASA et de l’USGS (Institut d’études géologiques des États-Unis) a collaboré pour voir si un petit drone piloté, équipé d’une charge utile spécialisée, pourrait aider à créer des cartes détaillées de la vitesse d’écoulement de l’eau. Les rivières fournissent de l’eau douce à nos communautés et à nos fermes, abritent une variété d’animaux, transportent des personnes et des marchandises et produisent de l’électricité.
Mais le débit des rivières peut également entraîner des polluants en aval ou augmenter soudainement, ce qui représente un danger pour les personnes, la faune et les biens. Alors que la NASA poursuit son engagement permanent pour mieux comprendre notre planète, les chercheurs s’efforcent de répondre à la question de savoir comment nous pouvons rester informés des variations du débit des rivières et de leur vitesse.
Des scientifiques de la NASA et de l’USGS se sont associés pour créer un ensemble d’instruments, de la taille d’un gallon de lait environ, appelé River Observing System (RiOS). Il comprend des caméras thermiques et visibles pour suivre le mouvement des éléments de la surface de l’eau, un laser pour mesurer l’altitude, des capteurs de navigation, un ordinateur de bord et un système de communication sans fil. En 2023, les chercheurs ont emmené RiOS sur le terrain pour le tester le long d’une section de la rivière Sacramento dans le nord de la Californie, et prévoient de revenir pour un troisième et dernier test sur le terrain à l’automne 2024.
« Déployer RiOS au-dessus d’une rivière pour évaluer les performances du système dans un contexte réel est extrêmement important », a déclaré Carl Legleiter, chercheur principal de l’USGS pour le projet conjoint NASA-USGS StreamFlow. « Au cours de ces vols d’essai, nous avons démontré que la charge utile embarquée peut être utilisée pour effectuer des calculs – réaliser l’analyse – en temps quasi réel, pendant que le drone vole au-dessus de la rivière. C’était l’un de nos principaux objectifs : permettre une latence minimale entre le moment où nous acquérons des images et celui où nous disposons d’informations détaillées sur la vitesse des courants et les schémas d’écoulement dans la rivière. »
Pour concrétiser cette vision de l’informatique embarquée, l’équipe utilise un logiciel open source, combiné à son propre code, pour produire des cartes des vitesses de surface de l’eau, ou champ d’écoulement, à partir d’une série d’images prises au fil du temps.
« On pourrait penser qu’il faut pouvoir voir des objets physiques discrets – comme des bâtons, du limon ou d’autres débris qui se déplacent en aval – pour estimer la vitesse d’écoulement, mais ce n’est pas toujours le cas, et ce n’est pas toujours possible », a déclaré Legleiter. « À l’aide d’une caméra infrarouge très sensible, nous détectons plutôt le mouvement des différences subtiles de température de l’eau transportée en aval. »
Ces mêmes différences de température minuscules apparaissent également partout où il y a des ondulations, comme à la frontière entre l’air et l’eau ou la glace en dessous. Sachant cela, les membres de l’équipe StreamFlow de la NASA ont utilisé ce phénomène à leur avantage lors du développement de méthodes pour d’éventuelles futures missions planétaires atterrissantes pour naviguer dans des environnements lointains et difficiles à voir, notamment Europe, la lune glacée en orbite autour de Jupiter.
Le River Observing System (RiOS) suit le mouvement des éléments de la surface de l’eau au-dessus d’une section de la rivière Sacramento dans le nord de la Californie en 2023. Crédit : NASA
« Les surfaces glacées présentent des conditions visuelles difficiles, comme le manque de contraste », a déclaré Uland Wong, co-chercheur et responsable du projet StreamFlow au centre de recherche Ames de la NASA dans la Silicon Valley en Californie. « Notre technologie peut suivre avec précision la surface statique d’un terrain glacé tout en le survolant, ou une surface en mouvement, comme l’eau, tout en planant au-dessus, pour assurer la sécurité du vaisseau spatial tout en collectant des données précieuses. »
Pour préparer les essais sur le terrain sur la rivière Sacramento, l’équipe de la NASA a construit un simulateur robotique pour effectuer des milliers de vols de drones virtuels au-dessus du site d’essai de la rivière Sacramento en utilisant des champs d’écoulement modélisés par l’USGS. Ces simulations aident l’équipe à créer un logiciel intelligent capable de sélectionner les meilleurs itinéraires de vol du drone et d’assurer une utilisation efficace de la puissance limitée de la batterie.
La prochaine étape du partenariat consistera pour la NASA à développer des techniques permettant de rendre le système plus autonome. Les chercheurs souhaitent utiliser les calculs du débit des rivières, effectués à bord en temps réel, pour guider le drone dans sa prochaine mission.
« Le drone descend-il pour obtenir des données de meilleure résolution sur un endroit particulier ou reste-t-il en hauteur pour capturer une vue grand angle ? », a demandé Wong. « S’il identifie des zones où l’eau coule particulièrement vite ou lentement, le drone pourrait-il détecter plus rapidement les zones inondées ? »
L’USGS exploite actuellement un vaste réseau de milliers de jauges de courant automatisées et de caméras fixes installées sur les ponts et les berges des rivières pour surveiller les débits des rivières en temps réel à travers le pays.
« Les drones pourraient nous permettre de réaliser des mesures dans un plus grand nombre de zones, ce qui permettrait potentiellement à notre réseau d’être plus vaste, plus robuste et plus sûr pour nos techniciens, de le surveiller et de l’entretenir », a déclaré Paul Kinzel, co-chercheur de StreamFlow à l’USGS. « Les drones pourraient nous aider à protéger notre personnel et notre équipement, en plus de nous indiquer comment l’environnement évolue au fil du temps dans autant d’endroits que possible. »
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