Thèse Apport de l'Imagerie Satellitaire pour le Suivi du Cycle de Vie des Mines H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication Laboratoire de recherche : Laboratoire en Informatique Haute Performance pour le Calcul et la simulation Direction de la thèse : Béatrice PINEL-PUYSSEGUR ORCID 000900037237196X Début de la thèse : 2027-01-01 Date limite de candidature : 2026-12-15T23:59:59 Le cycle de la vie d'une mine peut s'étendre sur plusieurs dizaines d'années, depuis la découverte du gisement, son exploitation puis sa réhabilitation. Dans le domaine minier, l'utilisation de produits satellitaires radar présente un fort intérêt pour le suivi des déformations du sol au-dessus de mines souterraines ou sur des mines à ciel ouvert. En effet, l'interférométrie radar permet de suivre les déformations au cours du temps avec une précision et une continuité spatiale unique. Cependant, de nombreuses limites persistent encore, en particulier liées au bruit et au biais de mesure.
Le but de la thèse est de caractériser la fiabilité des mesures de déformation dans le cadre de sites miniers, notamment pour un système d'alerte. L'apport de nouvelles méthodes (débruitage d'interférogrammes issu du deep learning par exemple) ou de données externes permettant d'améliorer le signal dans les chaînes de traitement interférométrique existantes sera évalué. L'impact des données, des méthodes de traitement, du type de site et d'anomalie sur la fiabilité de la détection d'anomalie sera étudié. Des campagnes de terrain seront réalisées avec l'objectif de quantifier cet impact. Après validation, les développements jugés les plus pertinents seront intégrés dans les chaînes de traitement des images satellitaires. La transition énergétique, le développement des technologies bas carbone et l'électrification croissante des usages entraînent une augmentation soutenue de la demande mondiale en matières premières minérales, notamment pour les métaux critiques et stratégiques nécessaires aux batteries, aux énergies renouvelables, aux infrastructures électriques et aux technologies numériques. Dans le même temps, les gisements les plus accessibles et les plus riches ont souvent déjà été exploités, conduisant progressivement à l'exploitation de ressources de plus faible teneur, plus complexes à extraire et nécessitant le traitement de volumes de matériaux toujours plus importants. Cette évolution s'accompagne d'enjeux environnementaux, sociétaux et économiques croissants liés à l'occupation des sols, à la gestion des résidus miniers, à la consommation des ressources naturelles ainsi qu'à la prévention des risques à long terme. Dans ce contexte, l'acceptabilité sociétale des activités minières constitue un facteur déterminant pour le développement et la pérennité des projets. Ces évolutions renforcent la nécessité de promouvoir une exploitation minière responsable, fondée sur une meilleure maîtrise des impacts environnementaux et une surveillance durable des ouvrages et des sites tout au long de leur cycle de vie, depuis l'exploration jusqu'à l'après-mine. L'amélioration des capacités d'observation, de caractérisation et de suivi des sites miniers apparaît ainsi comme un levier essentiel pour concilier sécurité, performance industrielle, protection de l'environnement et confiance des parties prenantes.
Dans cette perspective, les technologies d'observation de la Terre par satellite offrent des opportunités nouvelles pour compléter les dispositifs conventionnels de surveillance, grâce à leur capacité à fournir des informations régulières, homogènes et couvrant de vastes territoires, y compris dans des zones difficiles d'accès ou soumises à des contraintes environnementales particulières.
Les activités minières transforment durablement les territoires, depuis l'exploration jusqu'au réaménagement en passant par l'exploitation. Lors de ces différentes étapes, la surveillance de phénomènes inhérents aux activités en cours est nécessaire. La modification de l'occupation du sol, l'évolution des bassins et des ouvrages de stockage, les changements hydrologiques et minéralogiques de surface, les instabilités géotechniques ou les affaissements miniers sont autant de phénomènes qui nécessitent une attention particulière afin de maintenir une connaissance et une maîtrise des sites pour les exploitants.
Ces enjeux occupent une place centrale pour Orano Mining, dont les activités et responsabilités s'étendent sur l'ensemble du cycle minier, depuis l'exploration et l'exploitation jusqu'au suivi post-minier, sur des horizons de plusieurs décennies et au travers de plus de 250 sites répartis dans le monde. L'entreprise intervient ainsi sur des sites en exploitation, des projets en développement ainsi que des sites réaménagés ou en phase de surveillance à long terme. Cette présence internationale s'accompagne d'une forte diversité de contextes géographiques et climatiques, allant des environnements désertiques (Australie, Bostwana, Kazakhstan, Mongolie et Namibie), aux climats tempérés (France), tropicaux (Gabon) ou encore boréaux et subarctiques (Canada). Cette diversité climatique et environnementale reflète directement la variété des conditions dans lesquelles les sites miniers d'Orano doivent être caractérisés, exploités, réaménagés et surveillés. Elle constitue également un cadre particulièrement riche pour la comparaison scientifique et l'évaluation de l'influence des facteurs environnementaux sur le comportement à long terme des sites miniers.
La surveillance des sites repose actuellement sur la connaissance historique des ouvrages, les inspections périodiques et ponctuelles, les campagnes de terrain et, le cas échéant, sur le déploiement de capteurs de déformation in situ. Bien qu'indispensables, ces dispositifs sont souvent coûteux à installer et à maintenir, et peuvent s'avérer difficilement compatibles avec certaines contraintes opérationnelles ou environnementales. Ces moyens fournissent par ailleurs des informations généralement ponctuelles, limitées dans l'espace ou dans le temps. Leur mise en oeuvre peut être restreinte par l'étendue des zones à surveiller, leur éloignement, les difficultés d'accès ou encore les coûts associés à l'instrumentation et aux opérations de maintenance. Dans ce contexte, l'imagerie satellitaire constitue un outil d'observation complémentaire offrant une couverture régulière, homogène et spatialement étendue. Elle permet de suivre de vastes emprises sur des longues périodes, de détecter des évolutions potentiellement anormales sur des secteurs peu ou pas instrumentés, et d'orienter plus efficacement les inspections ainsi que les interventions de terrain. Elle contribue ainsi à optimiser les stratégies de surveillance en améliorant la capacité de détection précoce et la priorisation des actions de contrôle.
Les différentes familles de capteurs satellitaires, qu'il s'agisse des capteurs optiques, hyperspectraux, thermiques ou radar, fournissent des informations de nature distincte mais complémentaire. Leur pertinence dépend du type d'objet étudié, du phénomène recherché et du contexte environnemental considéré. Utilisées conjointement, ces données offrent une approche particulièrement pertinente pour la caractérisation et le suivi des sites miniers (Peyghambari and Zhang, 2021; Ren et al., 2026). Les images optiques et hyperspectrales contribuent notamment à la cartographie des matériaux, à la délimitation des zones perturbées, au suivi des surfaces en eau, à l'analyse de la couverture végétale ou encore à l'identification de certaines espèces minérales présentes dans les résidus de traitement. Les données thermiques apportent quant à elles des informations complémentaires relatives aux températures de surface, à l'état hydrique des sols ou à certains processus physiques et géochimiques de surface. L'exploitation de ces capteurs demeure cependant conditionnée par plusieurs facteurs, tels que la couverture nuageuse, les conditions d'éclairement, les propriétés des matériaux observés ainsi que les résolutions spatiale, spectrale et temporelle disponibles. Malgré ces limitations, de nombreux travaux ont démontré leur intérêt pour diverses applications liées à la surveillance environnementale, à la gestion des infrastructures et au suivi de l'évolution des sites miniers (Raval et al., 2014; Shang et al., 2009; Zwissler et al., 2017).
Parallèlement, les données radar à synthèse d'ouverture (SAR) présentent l'avantage majeur de pouvoir être acquises de jour comme de nuit et dans des conditions météorologiques généralement indépendantes de la couverture nuageuse. Elles permettent d'analyser l'intensité de la rétrodiffusion du signal, la cohérence entre acquisitions successives et, grâce aux techniques interférométriques, de mesurer des déplacements de surface pouvant atteindre une précision millimétrique. Ces caractéristiques font des données SAR une source d'information particulièrement pertinente pour la surveillance des déformations affectant les terrains, les ouvrages miniers et les infrastructures associées. Elles offrent notamment la possibilité de suivre l'évolution spatiale et temporelle des mouvements de terrain sur de vastes emprises, y compris dans des zones difficilement accessibles ou peu instrumentées. L'obtention de mesures fiables reste toutefois fortement dépendante de nombreux facteurs, parmi lesquels le type de capteur utilisé, la géométrie d'acquisition, les caractéristiques de la surface observée, les conditions climatiques ainsi que les choix réalisés au sein de la chaîne de traitement des données (Crosetto et al., 2016; Rana et al., 2024). Les variations de la couverture végétale, de l'humidité des sols ou des états de surface, de même que les perturbations atmosphériques ou les modifications induites par les activités d'exploitation sur le site, peuvent altérer la qualité du signal radar. Ces phénomènes peuvent réduire la cohérence entre acquisitions et générer des artefacts susceptibles de compliquer l'interprétation des résultats et la distinction entre un déplacement réel et une variation du signal liée à l'environnement.
Cette thèse s'inscrit dans la continuité de travaux engagés par Orano Mining sur l'utilisation de l'imagerie satellitaire pour la surveillance des sites miniers et post-miniers. Une première application sur l'ancienne mine de La Faye (Morvan, France) a permis d'identifier rétrospectivement une évolution des déformations précédant un effondrement associé à d'anciens travaux miniers souterrains (Rambault de Barallon et al., 2026a; Rambault de Barallon et al., 2026b). Une seconde série d'études a porté sur des sites ayant connu des ruptures d'ouvrage de stockage de résidus miniers, notamment au Brésil (Du et al., 2020) et en Turquie (Büyükakpınar et al., 2025). Ces travaux ont conduit au développement d'une première chaîne de traitement fondée sur les outils SNAP, SNAP2StaMPS et StaMPS, ainsi qu'à l'évaluation de différentes approches destinées à améliorer la qualité et la validation des observations, telles que l'utilisation des corrections ETAD ou le déploiement de réflecteurs radar. Ils ont permis d'établir une base méthodologique robuste pour l'exploitation des données InSAR en contexte minier, bien que celle-ci n'ait, à ce stade, été appliquée qu'à un nombre limité de configurations et de contextes environnementaux. Cette méthodologie est actuellement déployée sur plusieurs sites d'Orano Mining afin d'étudier les mouvements latéraux affectant certains ouvrages miniers. Cette approche satellitaire est par ailleurs couplée à des investigations de terrain ainsi qu'au développement de dispositifs visant à améliorer la stabilité et l'intensité du signal radar dans des environnements peu urbanisés, fortement végétalisés ou caractérisés par une faible densité de cibles réfléchissantes naturelles.
Dans ce contexte, la thèse vise à évaluer la pertinence et la robustesse de cette approche dans la diversité des contextes climatiques et environnementaux rencontrés sur les sites miniers sous la responsabilité d'Orano Mining (Australie, Bostwana, Canada, France, Gabon, Kazakhstan, Mongolie, Namibie...). La forte variabilité des conditions de végétation, d'humidité, de couverture neigeuse, de régime pluviométrique ou encore de dynamique des surfaces constitue un enjeu majeur pour l'interprétation et la fiabilité des mesures interférométriques. L'objectif est ainsi d'étendre, de qualifier et de comparer ces développements sur un ensemble représentatif de sites, de climats et de phénomènes de déformation. La thèse cherchera à déterminer dans quelles conditions les mesures produites et les anomalies détectées présentent un niveau de confiance suffisant pour orienter les inspections de terrain, appuyer les diagnostics et contribuer efficacement aux dispositifs de surveillance des ouvrages et sites miniers. La complémentarité entre l'expertise minière et opérationnelle d'Orano Mining et les compétences du CEA DAM dans les domaines du traitement du signal, de l'imagerie radar, de l'interférométrie et du développement algorithmique, constitue un cadre particulièrement favorable à l'émergence de méthodes innovantes. Les travaux de thèse auront ainsi pour ambition de faire évoluer les acquis existants vers des outils validés, robustes et transférables, adaptés à une utilisation opérationnelle sur un large portefeuille de sites miniers et post-miniers. L'objectif général de la thèse est d'évaluer, de qualifier et d'améliorer l'utilisation de l'imagerie satellitaire, principalement radar, pour la surveillance des sites miniers et post-miniers dans des contextes climatiques et environnementaux variés.
Les travaux porteront plus particulièrement sur la fiabilité des mesures satellitaires de déformation et sur leur capacité à identifier des évolutions anormales affectant les ouvrages miniers, les terrains environnants ou les infrastructures associées. L'enjeu scientifique est de déterminer dans quelles conditions les observations satellitaires peuvent être considérées comme suffisamment robustes pour contribuer à la surveillance opérationnelle et à l'aide à la décision.
Les données radar constitueront le coeur de l'étude pour la détection et le suivi des déformations. Elles seront complétées par des données optiques, multispectrales, hyperspectrales et thermiques afin de mieux caractériser l'état des surfaces, l'évolution de l'environnement et les facteurs susceptibles d'influencer les mesures interférométriques. Cette approche multi-capteurs permettra notamment de réduire les ambiguïtés entre une déformation réelle, une évolution environnementale ou un artefact lié aux conditions d'acquisition ou de traitement. La thèse reposera sur une approche comparative s'articulant autour de trois axes complémentaires:
- l'analyse de sites miniers situés dans des contextes climatiques et environnementaux contrastés;
- le développement, l'amélioration et la qualification de chaînes de traitement satellitaire;
- la validation des résultats par confrontation aux données de terrain, aux mesures instrumentées et aux retours d'expérience des sites étudiés.
Les cas d'étude seront sélectionnés de manière à couvrir différents stades du cycle minier ainsi qu'une grande diversité d'objets, de phénomènes et de contextes environnementaux. Les sites exploités ou surveillés par Orano Mining offrent à cet égard un cadre particulièrement pertinent, couvrant des environnements désertiques, semi-désertiques, tropicaux, tempérés, boréaux et subarctiques. Cette diversité constitue une opportunité unique pour étudier de manière comparative la robustesse et la transférabilité des méthodes développées au cours de la thèse.
Les analyses s'appuieront, dans un premier temps, sur les chaînes de traitement développées par le CEA et Orano dans le cadre de travaux antérieurs. Celles-ci seront ensuite adaptées et améliorées afin de répondre aux spécificités des différents sites étudiés, aux données disponibles et aux phénomènes recherchés. Plusieurs approches d'analyse interférométrique, notamment PSI et SBAS, pourront être mises en oeuvre et comparées selon les contextes d'application.
La comparaison entre les sites et les méthodes de traitement et les stratégies de correction permettra d'identifier les facteurs influençant la qualité des observations et de déterminer les domaines de validité de chaque méthode. Une attention particulière sera portée à l'évaluation de la transférabilité des méthodes sur différents climats, différents objets miniers et différentes configurations opérationnelles.
Enfin, les résultats satellitaires seront confrontés, chaque fois que possible, à des observations de terrain, des mesures instrumentées et des données historiques disponibles. Cette phase de validation permettra de quantifier la fiabilité des mesures produites, d'évaluer l'apport des différentes corrections et d'estimer la capacité des méthodes à détecter des phénomènes d'intérêt pour la surveillance opérationnelle des sites miniers et post-miniers.