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02/02/2022

Missions autonomes grâce à la Meteobase

Lukas Hammerschmidt – Chief Drone Officer
Dr. Lukas Hammerschmidt
Chief Drone Officer
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Les Meteobases autonomes de Meteomatics sont déployées en tant que réseau de mesure unique, améliorant considérablement la disponibilité des données autour de la couche limite planétaire avec les drones.

Avec l'avancée des nouvelles technologies dans le domaine des véhicules aériens sans pilote (UAV), Meteomatics a ouvert de nouvelles voies pour mesurer les données météorologiques dans la couche limite planétaire (CLP). Aujourd'hui, même les altitudes au-delà de la CLP et jusqu'à 6 km au-dessus du sol sont accessibles grâce aux Meteodrones de Meteomatics dotés de technologies de pointe. En combinaison avec le modèle météorologique à haute résolution SWISS1k, Meteomatics améliore dès aujourd'hui les prévisions météorologiques pour la Suisse. Depuis l'époque où les Meteodrones étaient employés comme systèmes mobiles avec un pilote sur place, Meteomatics progresse rapidement vers l'exploitation à distance et autonome des Meteodrones dans des Meteobases. Cela permet d'exploiter plusieurs drones avec un seul pilote qui coordonne et surveille le drone depuis un centre de vol central, ce qui réduit les coûts et permet la collecte de données météorologiques depuis plusieurs endroits. De plus, cette configuration peut être intégrée directement dans le réseau existant de technologies de collecte de données météorologiques, car plusieurs formats de données sont immédiatement disponibles après un vol.

Reconnaissant la valeur des données météorologiques de haute résolution et de haute précision pour l'aviation suisse, 15 bases météorologiques sont actuellement positionnées à travers la Suisse et au nord des Alpes dans le cadre d'un projet mené en collaboration avec un groupe d'intérêt axé sur l'aviation (notamment l'OFAC, la Suisse, la REGA et l'ETH).

Bien sûr, les avantages ne se limitent pas à l'aviation. L'agriculture, le secteur de l'énergie, et les assurances, entre autres, en profiteront également car ces entreprises utilisent déjà l'API météo de Meteomatics, facile d'accès, et pourront profiter encore plus des données météo améliorées par les drones. Le déploiement permettra d'obtenir des données météorologiques plus précises que jamais pour la Suisse.

Déploiement opérationnel de Meteobase

Ces dernières années, le développement des bases de drones autonomes a fait d'énormes progrès vers la maturité car les technologies des drones se développent en même temps que l'industrie qui est encore assez jeune. Parmi les acteurs du secteur, la Meteobase - une base de drones à distance pour la collecte de données météorologiques - a quitté la phase de prototype pour entrer dans la phase opérationnelle.

Les possibilités d'application de la Meteobase sont axées sur les mesures météorologiques, mais elles sont multiples et ne se limitent pas à ce cas d'utilisation. Dans le cadre d'une étude de validation de concept qui a débuté en 2019, Meteomatics a été invité à déployer sa base de drones pour les relevés environnementaux dans un projet mené conjointement avec le département des sciences de la Terre de l'ETH Zurich et l'Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage (WSL). Les groupes de ces établissements de recherche s'intéressent à la dynamique des sédiments pour étudier et, idéalement, prévenir les glissements de terrain. La figure 2 montre le Meteodrone juste après son décollage de la Meteobase, en route vers la zone sujette aux glissements de terrain.

02 02 22 Drone dev Update fig2

Figure 2 : Le Meteodrone décolle de la base météorologique et se dirige vers la zone sujette aux glissements de terrain. Dans ce cas d'utilisation, le Meteodrone transporte une caméra haute résolution en tant que charge utile, prenant des photos le long de sa trajectoire de vol.

La Suisse, située dans les Alpes, présente plusieurs zones où le sol est instable et où l'on peut régulièrement observer des glissements de terrain, même plusieurs fois par an de manière fiable. Ces régions sont des modèles idéaux pour l'étude des glissements de terrain, mais en raison des risques naturels, elles sont inaccessibles à la population. Le grand avantage des drones à fonctionnement autonome est qu'aucun personnel n'a besoin d'être présent ou de pénétrer dans de tels environnements et de risquer sa vie. Au lieu de cela, le drone vole au-delà de la ligne de vue et suit automatiquement sa trajectoire prédéfinie, prenant des images au fur et à mesure. Les images sont téléchargées sur un serveur directement après les vols et peuvent être analysées ou post-traitées par les spécialistes scientifiques. Les scientifiques du WSL et de l'ETH créent des modèles numériques d'élévation à partir des données et analysent la variation de la disponibilité des sédiments. Ces résultats, rendus possibles par les nouvelles avancées technologiques, permettent d'obtenir des informations jamais vues auparavant.

Après la phase de démarrage en 2019, le projet est entré dans une phase opérationnelle et s'est poursuivi en 2020 et 2021. Au total, plus de 70 vols ont eu lieu au cours de ces années, collectant un ensemble de données important et unique, impossible à obtenir auparavant.

Missions météorologiques autonomes par drone

Outre les vols horizontaux, les drones ont ouvert l'accès au vol vertical. En particulier, les drones sont maintenant utilisés pour établir le profil de la basse atmosphère. Les Meteodrones de Meteomatics atteignent même des altitudes allant jusqu'à 6 km au-dessus du sol, permettant un profilage à haute fréquence des données météorologiques pour la couche limite planétaire (CLP) importante. Les données dérivées de la CLP sont essentielles pour prévoir les phénomènes locaux tels que les orages, le brouillard ou la grêle, qui ont le plus d'impact sur la vie quotidienne et les entreprises. Il est donc presque tragique que seules des données limitées sur la CLP soient disponibles. Outre le manque de disponibilité, la qualité et la fiabilité des options de mesure existantes laissent place à des améliorations.

La figure 3 montre la vue spectaculaire offerte par le Meteodrone lors de son ascension à 6 km au-dessus du sol. Pendant l'ascension, le drone traverse les nuages et deux couches nuageuses distinctes sont visibles sur les images. En général, cependant, le drone ne transporte pas de caméra mais uniquement des capteurs LIDAR, ce qui permet d'obtenir des données uniques à la verticale.

02 02 22 Drone dev Update fig3

Figure 3 : Vue du Meteodrone pendant son ascension verticale jusqu'à 6 km au-dessus du sol. Ces images uniques montrent comment le drone traverse deux couches de nuages distinctes pour atteindre le sommet. En général, le drone ne transporte pas de caméra mais uniquement des capteurs L profonds.

Les stations météorologiques au sol sont maintenant courantes et indispensables pour le travail quotidien basé sur des données précises au sol. Malheureusement, ces données ne sont que d'une utilité limitée pour initier les modèles météorologiques numériques (MNN). Les scientifiques utilisent généralement les données recueillies par les ballons météorologiques comme conditions initiales pour les MNN. En élargissant l'ensemble des données initiales, les Meteodrones permettent de collecter des paramètres météorologiques à haute fréquence et avec une grande précision spatiale autour de la PBL. En combinaison avec la Meteobase, le Meteodrone devient une unité de mesure automatique, tout comme une station météo, mais pour le profil vertical.

Consciente du potentiel des Meteodrones autonomes pour la prévision du brouillard et d'autres phénomènes météorologiques locaux, Meteomatics déploie actuellement son couple Meteobase - Meteodrone pour des mesures à des endroits clés en Suisse. Le réseau dense de bases de drones permettra une surveillance étroite de la basse atmosphère et, en combinaison avec le modèle météorologique SWISS1k de Meteomatics à une résolution de 1 km, conduira à des prévisions météorologiques très précises. L'amélioration des prévisions météorologiques permet aux aéroports et aux autres acteurs en Suisse et dans ses environs d'économiser beaucoup d'argent.

Les premiers résultats sont déjà prometteurs, car les Meteobases sont déployées dans l'ouest et l'est de la Suisse. Actuellement, chaque emplacement est surveillé par un pilote, mais dans un avenir proche - grâce à une automatisation poussée - un pilote sera responsable de plusieurs Meteobases.

La Meteobase comme profileur vertical

Au cours des deux dernières années, Meteomatics a étendu la portée opérationnelle de ses drones météorologiques de 1,5 à 3 et jusqu'à 6 km au-dessus du sol. L'extension de la portée signifie qu'il est maintenant possible d'atteindre des niveaux plus élevés qui ont une valeur météorologique.

Par exemple, le niveau perspicace et important sur le plan météorologique de 500 hPa est inclus, ce qui signifie que les prévisions sont améliorées non seulement pour les phénomènes météorologiques locaux et à courte distance, mais également pour la situation météorologique générale. Cette capacité de prévision a un impact énorme sur les modèles météorologiques, en particulier lorsqu'ils sont à haute résolution, comme c'est le cas pour le modèle SWISS1k.

Le modèle SWISS1k est un modèle météorologique numérique d'un kilomètre actuellement déployé en Suisse, qui a été spécialement conçu pour être enrichi de données de drones. Ces données, qui couvrent 6 km de manière très précise, sont assimilées dans le modèle et complètent les conditions initiales de départ. Contrairement à l'étalon-or du profilage vertical, le radiosondage, les Meteodrones peuvent voler plusieurs fois par jour, sont réutilisables et restent sur leur trajectoire d'ascension verticale. Le seul inconvénient jusqu'à présent semble être leur limitation à des altitudes encore plus élevées et les limites des influences environnementales. Pour réduire l'impact de ces dernières, les météodrones sont équipés d'une technologie de dégivrage unique, développée en interne. Avec leur capacité à voler sous la pluie, la neige et le brouillard ainsi qu'en cas de vent fort, les drones semblent bien équipés pour fournir des données pour le travail quotidien des météorologues et de leurs modèles météorologiques.

La figure 4 montre l'impressionnante résolution du modèle météorologique amélioré par les drones de SWISS1k et une comparaison avec les modèles météorologiques européens (ecmwf-ifs) et américains (ncep-gfs). Comme on peut le voir par rapport à la "vérité" satellitaire, le modèle SWISS1k résout bien le brouillard, distribué à travers la topographie alpine du nord de la Suisse, et est conforme aux données satellitaires. Alors que le modèle global européen, avec sa grande grille, inclut encore partiellement le brouillard, sa résolution est insuffisante pour résoudre les structures alpines. Le modèle global américain ne prévoit pas correctement le brouillard.

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Prévisions de brouillard à partir de trois modèles différents : (b)-(c) et la vérité de terrain à partir de données satellites (a). Alors que le modèle SWISS1k (d) prévoit et résout bien le brouillard, le modèle européen (b) le prévoit partiellement mais avec une résolution fortement réduite. Le modèle américain (c) ne le prévoit pas du tout.

Comme environ 60 % de la Suisse est couverte par les Alpes, les prévisions météorologiques nationales sont uniques et intéressantes et, surtout pour les modèles météorologiques mondiaux, également difficiles. Une vallée peut déjà connaître une micro-météo différente de celle de sa voisine. Un réseau de profils verticaux de drones améliorera grandement la prévisibilité, mais il nécessite également des unités de mesure fiables et autonomes qui doivent être capables de fonctionner, par exemple, même en cas de fortes chutes de neige.

La figure 5 est issue d'une application réelle et montre les capacités de la Meteobase à résister à la neige pendant son fonctionnement. L'image de la caméra de surveillance montre qu'une fois connectée au réseau électrique, la Meteobase régule son climat interne, ce qui lui permet de fonctionner dans des conditions extrêmes comme la neige et la chaleur. Ainsi, la collecte de données météorologiques n'est pas limitée à certaines saisons mais est assurée tout au long de l'année.

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Les Meteobases sont conçues pour résister à des conditions météorologiques difficiles telles que les fortes pluies, la chaleur, le froid, la grêle et même la neige lourde, comme on peut le voir sur l'image prise directement sur le terrain.

Déploiement du réseau de mesure Meteobase

Dans le cadre d'un projet unique en son genre, Meteomatics, en collaboration avec des acteurs de l'aéronautique, prévoit de déployer ses Meteobases à des endroits clés en Suisse. En commençant par des sites dans l'est et l'ouest de la Suisse, l'ensemble du territoire national sera couvert et des données seront collectées sur 15 sites au total au cours des deux prochaines années. Cela augmentera massivement la quantité de données disponibles et aura un impact énorme sur la capacité de prévision.

Outre l'impact météorologique manifestement positif, le projet représente un défi intéressant pour l'infrastructure aéronautique. Pour la première fois, plusieurs drones seront contrôlés par un seul pilote. Ce pilote, plutôt que de contrôler les drones manuellement, surveillera les vols. Les vols seront entièrement automatiques, y compris la vérification de l'espace aérien et de la météo. Pour ce dernier point, l'opération s'appuie sur l'API météo de Meteomatics, qui s'intègre de manière transparente dans le logiciel de contrôle des vols.

La capacité de contrôler et de surveiller plusieurs drones en même temps n'est pas la seule exigence liée à l'exploitation d'un réseau de bases de drones automatiques. Il faut également une grande flexibilité pour intégrer les vols de drones dans des structures aéronautiques existantes ou nouvelles, évaluer les risques et les atténuer. Heureusement, la Suisse et l'OFAC jouent un rôle de premier plan dans la technologie des drones et, surtout, dans l'aide aux entreprises et aux opérateurs de drones.

L'assimilation des données des drones dans SWISS1k a commencé, et des données sont recueillies pour différents endroits en Suisse. L'impact est déjà visible dans les modèles météorologiques, mais reste local pour quelques stations seulement. Avec chaque station de drone météo supplémentaire, un effet à l'échelle du pays sera visible et changera l'avenir des prévisions pour l'aviation et toutes les personnes concernées par la météo.

Perspectives

Les résultats ont montré que les drones météorologiques, tels que le Meteodrone, peuvent avoir un impact énorme sur les capacités de prévision, en améliorant la qualité des prévisions, en particulier dans le domaine du brouillard, des orages et des nuages bas. Pour que les drones météorologiques puissent fonctionner de manière rentable, ils doivent pouvoir être intégrés dans les structures existantes et collecter automatiquement des données à plusieurs endroits.

Le projet de déploiement de 15 Meteobases au cours des deux prochaines années, planifié par Meteomatics, permettra à la Suisse de bénéficier du premier réseau de drones, étant un pionnier de la météorologie et de la technologie des drones. Cependant, d'autres parties prenantes dans différentes régions du monde (par exemple, les États-Unis) font également appel à Meteomatics pour les aider à résoudre leurs problèmes météorologiques. Restez à l'écoute des mises à jour dans les prochains numéros.

Lukas Hammerschmidt – Chief Drone Officer
Dr. Lukas Hammerschmidt
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