IoT et mesure de la hauteur de neige

Utiliser les IoT pour mesurer les hauteurs de neige ?

Peut-on envisager d'offrir aux sites Nordiques des dispositifs permanents de surveillance de la hauteur de neige à déployer sur de grands territoires à des coûts abordables ?

En effet, il existe différentes technologies pour mesurer la hauteur de neige, dont la mise en œuvre est faite par des sociétés spécialisées avec un coût d'utilisation très élevé, hors de portée de la plupart des sites nordiques, et pas toujours applicable sur des sites dont l'accès n'est pas toujours facile pour des engins de grande taille. De plus, ce suivi de la hauteur de neige n'est pas permanent, car il est dépendant des sorties sur le terrain.

L'objectif de ce billet d'anticipation est de repositionner le problème avec l'approche des Objets Connectés (IoT), dans un contexte inspiré de la Smart City, de l'Usine 2.0, ...etc. Comme les IoT sont bon marché, consomment peu, et sont connecté à des réseaux radio à très bas coût d'exploitation, il devient possible déployer massivement les capteurs IoT. Ce déploiement en grand nombre vise aussi à pallier à la mauvaise qualité des mesures collectées, mais heusement le Big Data et les Systèmes Expert (volontiers appelés Intelligence Artificielle) sont là pour rendre les résultats intelligibles.

En savoir plus sur les IoT

Bref état de l'art

Sauter la lecture de l'état de l'art

NB: Les textes en italique sont extraits des site web référencés dans le paragraphe.

Déterminer les hauteurs de neige grâce à des drones

WSL - Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et les paysages – Suisse

https://www.wsl.ch/fr/projets/schneehoehe-erfassen-mit-drohnen.html

Yves Bühler, chercheur au SLF, a effectué des essais avec des drones équipés de caméras numériques pour cartographier la hauteur de neige sur de grandes surfaces. Ces drones ont survolé à des périodes différentes deux zones tests dans la région de Davos : le fond de la vallée de Flula à 1940 m d’altitude, ainsi que le sommet du Brämabüel à 2500 m, où la hauteur de neige peut varier même sur des distances de 3 à 5 m. Grâce à des mesures manuelles, Yves Bühler a vérifié la qualité des hauteurs de neige restituées par les données photogrammétriques.

Les résultats sont très encourageants sur les deux zones : Yves Bühler a pu déterminer très précisément les hauteurs de neige sur les prés et zones rocheuses. Les données ont été également satisfaisantes sur les endroits où poussent des buissons ou des herbes hautes. Cependant, cette végétation qui s’élève au-dessus du sol en été et qui est comprimée par le manteau neigeux en hiver rend les mesures un peu moins précises que sur les prés et rochers.

Sté MTSI – Delta Drone - Toulouse

Leica Geosystems AG choisit MTSI (Groupe Delta Drone) comme prestataire de solutions Lidar et distributeur officiel pour la France de ses solutions Icon Alpine dédiées à la mesure en 3D de hauteurs de neige et gestion de l’enneigement.

Sté Benewake – Chine

http://www.benewake.com/en/index.html

Fabrique des LIDAR de diverses tailles à coût modéré, ainsi que des capteurs en version OEM. Drones, Robotique, Automotion, Surveillance, …

Technologie LIDAR

https://fr.wikipedia.org/wiki/Lidar

La télédétection par laser ou lidar, (light detection and ranging), est une technique de mesure à distance fondée sur l'analyse des propriétés d'un faisceau de lumière renvoyé vers son émetteur.

À la différence du radar qui emploie des ondes radio ou du sonar qui utilise des ondes acoustiques, le lidar utilise de la lumière (du spectre visible, infrarouge ou ultraviolet). Celle-ci est quasiment toujours issue d’un laser, et donc cohérente.

Déterminer les hauteurs de neige grâce au satellite Pléiades

Le stellite Pléiades

Pléiades est un système d'imagerie spatiale à très haute résolution, capable de fournir des clichés de n’importe quel point du globe en moins de 24h. Constitué de deux satellites placés sur la même orbite, ce dispositif fournit des photographies aux acteurs civils et militaires.

L’expérience du CNES

Grâce aux données de Pléiades, une nouvelle méthode pour mesurer la hauteur de neige en montagne vient d’être mise au point.

https://pleiades.cnes.fr/fr/une-nouvelle-methode-de-mesure-de-la-hauteur-de-neige-en-montagne

L’équipe a choisi un petit bassin versant des Pyrénées ariégeoises et a élaboré un premier Modèle Numérique d'Élévation (MNE), c’est-à-dire qu’elle a établi une carte de l’altitude du terrain à partir d’images tri-stéréoscopiques de Pléiades acquises en octobre 2014. Ce premier MNE sert de référence. Elle a ensuite établi un second MNE à partir d’images acquises au mois de mars 2015, au moment du pic annuel d’accumulation du manteau neigeux.

Après superposition des deux MNE, l’équipe a comparé leur différence (supposée être la hauteur de neige) à des mesures de hauteur de neige obtenues par sondage manuel et à l’aide d’un drone.

Les résultats indiquent que la carte de hauteur de neige produite à 2 m de résolution a une précision décimétrique sur la hauteur de neige et qu’elle montre des structures spatiales très similaires à celles obtenues par drone. À partir de ces données, les chercheurs ont donc pu estimer directement le volume de neige stocké sur le bassin versant.

Poteau PTN Sté MESA

NESA Srl - Via Sartori, 6/8 - 31020 - Vidor (TV) – Italy

Profilatore de température pour manteau neigeux réalisé sur structure au poteau en aluminium anodisé et blanc verni avec 12 capteurs de température à la haute précision, Pt100 1/5DIN met sur bracci réglables et sfilabili jusqu'à 25cm de distance je borde poteau pour apprécier moindres différences de température entre les points différents…./…

Les bracci avec en tête les capteurs sont disposés au raggiera pour réduire l'interférence physique entre eux et garantir ainsi que chaque capteur soit complètement immergé dans la neige jusqu'à le le niveau correspondant.

Mesure de hauteur de neige par capteur à ultrason

Capteur de distance Sté Campbell Scientific - Canada

https://www.campbellsci.fr/sr50a

Le SR50AT est un capteur acoustique de hauteurs (neige/eau...) nouvelle génération. Développé par Campbell Scientific Canada, il utilise un algorithme de traitement d'écho multiple afin d'assurer une mesure précise. L'appareil est monté face au sol avant les premières chutes de neige pour déterminer la hauteur entre le capteur et le sol, lorsque la neige s'accumule le capteur mesure la hauteur entre le capteur et la surface de neige. Il intègre un capteur de température externe pour compenser la vitesse du son qui varie en fonction de la température.

Capteur de distance Sté Cimel - Paris

https://www.cimel.fr/?sensor=limnimetre-a-ultrasons

Ce capteur de niveau, aérien, à deux transducteurs ultrasons  est destiné à la mesure de la hauteur d’eau ou de la hauteur de neige. Il permet une mesure de grande précision sans aucun réglage grâce à la correction de température incorporée. Il n’a pas de contact avec le milieu à contrôler.

  • Emission d’une onde ultrasonore réfléchie sur la surface de l’eau
  • captage de l’écho et mesure du temps de parcours
  • Ce capteur mesure le temps passé entre l’émission et la réception d’une impulsion ultrasonique pour en déduire la distance  avec une grande précision
  • La vitesse de l’onde ultrason est compensée en fonction de la température de l’air.

Capteur de distance Sté CIMA TECHNOLOGIE – Lyon

http://www.cima-meteo.com/niveau-neige.php

Utilisé par les principaux services de météorologiques en Europe centrale ainsi que par les services d'alerte d'avalanche en haute montagne. La membrane à ultrasons du CTUSH-8 se démarque par sa longue durée de vie.

Les puissantes impulsions ultrasoniques générées par ce capteur de hauteur de neige permettent d'obtenir des mesures précises, même lorsque le taux de réflexions est important, comme c'est le cas pour la poudreuse ou pour de la neige fraîche.  Compensation en température intégrée

Centrales d’acquisition

Pour les dispositifs décrits ci-dessus, il n’est pas fait état des centrales de mesure, qui sont probablement connectées aux capteurs avec des protocoles de communication propriétaires.

Sonde Nivolog

La première sonde de qualité de la neige connectée à un réseau très bas débit dédiés aux IoT, le réseau Sigfox. La société qui a développé cet équipement n'existe plus. Ci-dessous des informations sur les expérimentations menées.

Info ENGIE

La station de Guzet dans les Pyrénées vient de mettre en place avec ENGIE Altiservice et la start-up Nivolog un système qui associe une sonde de mesure automatique de la hauteur de neige, la transmission par fréquence radio du relevé et le partage en temps réel via Internet des données 24h/24h utilisant la technologie Sigfox.

Le projet a été développé à partir de la solution Nivôse, installée dans les années 80 par Météo France, avec l'adjonction d'une couche d'Internet des Objets, des sondes connectés utilisant le réseau Sigfox.

La sonde calcule en temps réel la profondeur de neige, la température de l'air, l'humidité et la pression atmosphérique, permettant ainsi d'optimiser les périodes où il faut sécuriser le domaine skiable.

Info Cluster Montagne

La start-up Nivolog conçoit une station météo autonome en énergie (pile haute capacité) et connectée via Sigfox (longue portée / basse consommation) permettant notamment de mesurer en temps réel la hauteur de neige et de rendre disponible immédiatement les données relevées sur internet. Cette sonde a été pensée pour produire des données météo utilisables dans 2 domaines principaux :

  • pour l’exploitation quotidienne d’un domaine skiable,
  • pour le marketing et la communication d’une station.

Centre d'Étude la Neige

Le Centre d'Étude de la Neige est un Groupe de recherche du Centre National de Recherches Météorologiques (UMR 3589). Il a pour missions de mener des recherches sur la neige, de faire évoluer la chaîne des outils et modèles SAFRAN-Crocus-MEPRA et d’apporter son soutien aux activités opérationnelles. Il travaille en étroite collaboration avec des laboratoires français et étrangers. Le Centre d'Étude la Neige est situé dans le Bâtiment METEO-FRANCE, Domaine Universitaire, 1441 rue de la Piscine, Saint Martin d’Hères.

Détection d’enneigement à bord d’une dameuse

Principe

  • Création d’un modèle numérique en 3D du terrain hors neige.
  • Collecte des altitudes, de la position GPS et de la profondeur de neige grâce à un radar (Lidar) sur la dameuse pour comparaison avec le modèle numérique pour valider les hauteurs de neige géo-localisées.
  • Permet d’optimiser les mouvements des dameuses pour gérer l’enneigement.
  • Doit être précis à 5 cm minimum, sinon c’est inutile pour faire de l’enneigement
  • Des poteaux placés sur le terrain sont chargés de raffiner la position envoyée par les satellites GPS, car on sait exactement où ils se trouvent. Cette information de correction est envoyée en permanence aux dameuses pour corriger le calcul de leur position. Indispensable pour construire la carte de l’enneigement.

Sté Prinoth,  Snow Depth Measurement

https://www.prinoth.com/fr/vehicules-de-damage/produits/snow-how/snow-depth-measurement-157/

Le moniteur installé dans la dameuse indique au conducteur la hauteur d’enneigement exacte ainsi que le profil du terrain en temps réel. Lors du damage, le conducteur peut ainsi se fier aux données transmises en temps réel par les antennes GPS et les capteurs d’angle. Le système permet une optimisation de la gestion de l’enneigement depuis la production jusqu’à la préparation en passant par la répartition.

Sté Pistenbully, système SNOWsat

https://www.pistenbully.com/fra/fr/innovation/snowsat.html

 

La position de la dameuse est calculée en permanence avec une précision de l'ordre de quelques centimètres. Une fois déduite la hauteur de l'engin, cette valeur est comparée à la hauteur d'un modèle numérique du terrain intégré au système (hauteur de référence). La difference entre ces deux valeurs correspond à l'épaisseur de neige à l'endroit où se trouve la dameuse.

Sté CGX-Group, Division CGX Moutain

http://www.cgx-group.com/fr/montagne-1.htm

Cette société fabrique des capteurs de hauteur de neige.

(Information Météo France, Centre de Recherche sur la Neige, CRN, Campus SMH)

 


Une nouvelle approche de la mesure de hauteur de neige

Voici une suggestion de capteurs de hauteur de neige à base d'objets connectés (IoT) dont les données sont transmises par un réseau basse puissance (LPWan).

Opportunités technologiques

Des opportunités technologiques permettent une nouvelle approche du problème

  • Les réseaux bas débit SigFox ou Lora coûtent 100 fois mois cher que l’Internet ou le 3G/4G. Il est possible maintenant de les déployer en montagne sur des architectures privées
  • L’intégration des capteurs et les processeurs frontaux de traitement associés progresse très vite en raison du marché porteur des IoT industriels
  • La prolifération des MEMs offrant une grande variété de capteurs portés par le marché des smartphones et des capteurs industriels
  • Le conditionnement des composants dans des boitiers innovants supprimant le circuit imprimé pour miniaturiser et faire baisser le coût de réalisation lors de l’intégration (Sté Multiple Dimensions, en Suisse)
  • Les algorithmes des plateformes de collecte et de traitement des données massivement collectées se développent rapidement pour répondre à la demande en s’appuyant sur l’apprentissage (réseaux de neurones), sur de nouveaux concepts de bases de données noSQL

Références de partenaires possibles (liste loin d'êtreexhaustive) :

  • Sté Connit – Connectivité réseau LPwan IoT

  • Sté Sysoco – Déployer des IoT en montagne

Besoins nouveaux

  • Le champ d’expérimentation du ski nordique est plus vaste que celui de l’alpin. Il n’est pas aussi facilement accessible que les pistes du ski alpin, et les pistes sont beaucoup plus longues, d’où un coût d’entretient plus élevé.

  • Les skieurs nordiques ont une approche plus respectueuse de la montagne, et souhaitent que la technologie se fasse aussi discrète que possible.

  • La rentabilité d’exploitation des sites nordiques n’est pas assurée, aussi leur fonctionnement est souvent en partie à la charge de la collectivité. En conséquence, les équipements devront être bon marché.

  • La nécessité pour les stations de moyenne montagne de se diversifier en raison du raccourcissement des périodes d’enneigement, d’où l’opportunité de créer des IoT permettant d’offrir aux pratiquants des services hors enneigement

Créer des capteurs à très bas coût

  • Bas coût des équipements (environ 100€, 10 à 20 fois moins que les capteurs de Méteo France)
  • On accepte que la qualité des individuelle des capteurs soit médiocre
    • Parce que les conditions climatiques de l’endroit où ils sont implantés sont défavorables en permanence ou temporairement
    • Parce que les capteurs utilisés et leur réalisation sont à bas coût
  • On déploiement de nuages de capteurs
    • On palie au manque de qualité par le nombre et le traitement en amont
    • On déploie un système auto-adaptatif basé sur une intelligence spécifique (IA) guidée par les expérimentations menées dans le projet de recherche
  • On conçoit les IoT avec les utilisateurs (Pisteurs, Exploitants, Skieurs) pour faire s’exprimer l’intelligence collective. Voici quelques suggestions :
    • Conditionnement familier pour les pisteurs sous forme d’une perche
    • Déploiement par du personnel non spécialisé
    • Utilisation en été par les VTT et marcheurs
  • Capteurs virtuels en seconde phase de déploiement après apprentissage in situ. Cela permettra de libérer des capteurs pour baisser le coût d’exploitation, ou bien pour en redéployer ailleurs.

Esquisse de mise en œuvre

Les capteurs se construisent à partir de « galettes » de capteurs que l’on empile pour constituer une « perche » comme celles que les pisteurs utilisent pour délimiter les zones skiables ou à ré-enneiger.

Les galettes se cliquent les unes sur les autres, et communiquent au moyen d’un bus USB basse consommation servant également d’alimentation. Ce bus ne comporte que deux fils, sous forme coaxiale pour diminuer le coût de connexion.

Les galettes comprennent :

  • 4 capteurs orientés selon les 4 points cardinaux
  • un microprocesseur (ou un Asic) ultrabasse consommation cadencé à basse fréquence et capable de passer en veille, dédié au traitement des infos capteur et à la communication avec la tête émettrice radio

Il existe différents types de galettes :

  • Capteurs de température
  • Capteurs de lumière
  • Emeteur-Capteur infrarouge pour la mesure de distance
  • Capteur de vibration
  • Etc….

Le haut de la perche contient la tête

  • interface USB avec les galettes
  • émetteur réseau bas débit Lora ou SigFox
  • Pile

Les galettes peuvent être assemblées par des manchons neutres, ayant seulement pour but de séparer les galettes munies de capteurs.

  • Matériau synthétique contenant le bus USB
  • Se vissent ou s’en cliquent sur les galettes, par dessus et par dessous

Opportunité de conditionnement

La Sté « Multi Dimensions » propose des boitiers de conditionnement permettant de s’affranchir du circuit imprimé destiné à relier les sous ensembles, en simple couche gravée au Laser, métallisée, directement dans le boitier, mais avec un espacement entre les couches inférieur aux circuits classiques (150 µm). Les contacts pour relier le boitier avec l’extérieur (équivalent des connecteurs) peuvent être réalisés également par cette technique.

Cette technologie (nom commercial 3D-MID) devrait permettre de réduite les coûts de prototypage et fabrication en série.