Titre : Fusion de données spatialisées, application à la viticulture de précision

Auteur : Jean-Noël Paoli

Résumé : La gestion de données spatiales a pris une importance considérable dans de nombreux domaines de l’Agriculture ou de l’Environnement. Ces informations permettent notamment d’envisager la prise en compte de la variabilité spatiale et temporelle d’une culture. Cela implique cependant de fusionner les informations disponibles de manière à effectuer un diagnostic et à proposer des actions adaptées. Les principales difficultés sont la très grande diversité des informations disponibles (numériques ou symboliques, de résolutions spatiales différentes), et les imprécisions et incertitudes associées aux données et à leur localisation. Face à cette problématique, nous proposons une méthode permettant de nous ramener systématiquement à un référentiel qualitatif, et de superposer les différentes informations disponibles au niveau spatial, tout en prenant en compte les imprécisions, les incertitudes, les conflits, et les absences éventuelles d’information. Nous mettons en œuvre une approche nouvelle tant pour la description des informations disponibles que pour leur utilisation. Cette approche utilise la théorie des sous ensembles flous et la théorie des possibilités pour décrire les informations disponibles. La superposition des données au niveau spatial met en œuvre un opérateur d’agrégation basé sur une intégrale de Choquet. Cette approche est appliquée à des données de Viticulture de Précision. Le premier exemple s’intéresse à la sélection de zones de requête imprécises par un utilisateur, et au diagnostic de ces zones. Le second décrit comment générer une carte identifiant les zones à traiter selon deux modalités distinctes. Ce travail conclue à la validité de l’approche proposée, et identifie certaines limites. L’opérateur d’agrégation proposé constitue une base de raisonnement, mais pourra évoluer pour prendre en compte l’ensemble des particularités liées au traitement des données spatiales.

Ecole : Ecole Nationale Supérieure Agronomique de Montpellier

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Titre : Imagerie radar en ondes milliétriques appliquées à la viticulture

Auteur : Dominique Henry

Résumé : Avec l’expansion des exploitations agricoles, le principe d’homogénéité du rendement (céréales, fruits…) devient de moins en moins pertinent. Ce phénomène de variabilité spatiale implique des conséquences économiques et environnementales avec le développement de nouveaux concepts agricoles comme les « site-specific management » (gestion spécifique des parcelles). Les traitements tels que les fertilisants, les intrants et autres pesticides doivent être utilisés de manière différente en les appliquant au bon endroit, à la bonne période et au bon taux. Cette nouvelle façon de penser l’agriculture fait partie de l’agriculture de précision (PA) et se concentre en quatre domaines technologiques : (i) la télédétection, (ii) la navigation et guidage, (iii) la gestion des données et (iv) les technologies à taux variable. Initiée à la fin des années 1990, la viticulture de précision (PV) est une branche particulière de la PA, caractérisée par des problématiques spécifiques à la viticulture. Les travaux effectués durant cette thèse entrent dans le cadre de la télédétection (ou détection proche) appliquée à la PV. Ils se focalisent sur une nouvelle méthode d’estimation de la quantité de grappes (masse ou volume) directement sur les plants de vignes. Pouvoir estimer le rendement des vignes plusieurs semaines avant la récolte offre de nombreux avantages avec des impacts économiques et qualitatifs, avec par exemple : (i) l’amélioration du rapport rendement/qualité en supprimant au plut tôt une partie de la récolte, (ii) l’optimisation des ressources humaines et la logistique à la récolte, (iii) un remboursement le plus équitable par les assurances en cas d’intempéries qui endommageraient les pieds de vignes. La méthode proposée ici repose sur l’imagerie microondes (à 24GHz ou des fréquences plus élevées) générée par un radar FM-CW. Elle implique la mise en place d’un système d’interrogation intra-parcellaire « pied par pied » à distance basé au sol, et en particulier : (i) l’évaluation de la précision des mesures et les limites du système, (ii) le développement d’algorithmes spécifiques pour l’analyse de données tridimensionnelles, (iii) la construction d’estimateurs pour retrouver le volume des grappes, et finalement (iv) l’analyse des données recueillies pendant les campagnes de mesures. Dû au caractère saisonnier des récoltes, les mesures sont en premier lieu effectuées sur des cibles canoniques, des charges variables et des capteurs passifs en laboratoire. Pour mettre en avant la flexibilité de cette interrogation radar, le même système est utilisé en parallèlement dans le cadre du projet régional PRESTIGE, pour compter à distance le nombre de pommes présentes sur les pommiers en verger. Ces travaux ont été financés par l’entreprise Ovalie-Innovation et l’ANRT (Agence Nationale de la Recherche Technologique).

Ecole :  Institut National Polytechnique de Toulouse 

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Titre : Imagerie radar en ondes milliétriques appliquées à la viticulture

Auteur : Rim Saddem

Résumé : L’agriculture de précision (AP) s’est fortement développée au cours des dernières décennies avec les progrès des technologies de localisation, des capteurs et des techniques de télédétection. Le principe de l’AP est de rechercher et mettre en oeuvre la Bonne action au Bon moment et au Bon endroit (« 3B »), avec l’objectif d’améliorer l’efficience de l’agriculture suivant les critères d’une agriculture durable. Nous considérons dans cette thèse l’évaluation de la faisabilité d’opérations agricoles vis à vis de critères relevant de l’AP, en faisant appel à des techniques de modélisation et de vérification formelles.Pour modéliser et vérifier ces opérations, une représentation des dynamiques temporelles et spatiales est nécessaire. Le model-checking de systèmes d’automates temporisés avec des requêtes dans une logique temporelle arborescente répond à ces besoins, les positions spatiales pouvant être représentées de façon ad-hoc dans le cadre de ces formalismes. Trois exemples d’opérations agricoles sont considérés dans ce mémoire. La première est relative au calcul d’une séquence optimale de commandes pour une pulvérisation de précision en viticulture. La seconde concerne la récolte sélective en viticulture. La dernière est relative à la vérification d’une mission de robotique agricole. Nous étudions dans ces exemples l’atteignabilité d’un état cible pour l’opération, ou l’atteignabilité avec un critère de coût optimal.Pour pallier au problème d’explosion combinatoire rencontré dans les cas traités, une méthodologie de décomposition pour le model-checking d’atteignabilité a été développée. Les résultats expérimentaux avec et sans décomposition sont présentés pour les 3 exemples d’opération étudiés. La technique de décomposition est appliquée sur 2 des 3 exemples et les résultats expérimentaux montrent son efficacité.

Ecole : Université Montpellier

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Titre : Valorisation des données agricoles pour la recherche agronomique et à des fins opérationnelles : exemple de la prévision du rendement en viticulture

Auteur : Cécile Laurent

Résumé : Les données agricoles sont couramment collectées dans les exploitations agricoles. Elles représentent le contexte de production d’une exploitation donnée en fournissant des informations sur le système de culture et les pratiques culturales, l’environnement, la logistique, etc. Elles offrent également des historique des données plus importants. Cependant, les données agricoles sont aussi caractérisées par une moindre qualité et un nombre de variables réduit. Cette thèse est basée sur l’hypothèse que la valorisation des données agricoles par des méthodes statistiques adaptées peut aider à conduire des recherches agronomiques appropriées aux besoins et contraintes opérationnels d’une exploitation et générer des connaissances et/ou informations locales pertinentes pour l’aide à la décision sur le terrain. Ce projet a été initié par une entreprise de viticulture de précision, Fruition Sciences, et vise donc à étudier cette hypothèse au sein de la filière viti-vinicole. L’étude de cas de la prévision du rendement a été privilégiée car elle correspond à un indicateur agronomique utilisé pour décider de la plupart des opérations au vignoble et au chai. Néanmoins, la contribution relative des nombreuses propositions de recherche sur ce sujet reste floue et les attentes de l’industrie insatisfaites. Ainsi, une revue de la littérature a d’abord été entreprise afin de proposer un cadre global pour les méthodes d’estimation, de prédiction et de prévision du rendement. Ce cadre a été décomposé en trois processus : mesure, échantillonnage et modélisation. Le positionnement de chaque proposition de la littérature dans ce cadre a révélé des possibilités encore inexplorées d’amélioration de la prévision du rendement viticole. Ces conclusions ont été traduites dans les questions scientifiques suivantes : comment définir un modèle de d’élaboration du rendement viticole local et adapté aux contraintes et attentes opérationnelles sur la base de données agricoles ? comment adapter les analyses statistiques requises en tenant compte des caractéristiques des données agricoles ? puis comment développer une approche de prévision du rendement viticole basée sur ce modèle conceptuel et ces analyses statistiques ? Le projet de doctorat vise à répondre à ces questions à partir de l’étude de 9 jeux de données viticoles, dont 3 ont été sélectionnés comme études de cas. L’accent a été mis sur l’exploitation des séries temporelles de données météorologiques. Leur analyse a d’abord nécessité une expression du temps cohérente avec la phénologie de la vigne afin d’étudier l’influence de la météo sur plusieurs années à des stades comparables de l’élaboration du rendement. Ce travail a conduit au développement d’une méthode d’optimisation sous contrainte appelée méthode extended Growing Degree days ou Degrés Jours étendus (méthode eGDD). Elle permet d’établir un calendrier spécifique à chaque site sur la base d’un indice thermique. Les indices thermiques calculés avec la méthode eGDD ont montré de meilleurs résultats que le calendrier grégorien ou l’approche classique des Degrés jours pour synchroniser des séries temporelles en fonction de la phénologie de la vigne. Les séries temporelles de données météorologiques ainsi synchronisées ont ensuite été analysées à l’aide d’une régression linéaire fonctionnelle bayésienne avec des fonctions en escalier et ont permis de détecter des périodes d’influence météorologique spécifiques au vignoble. Sur la base de l’étude de cas de la prévision du rendement en viticulture, ce travail a fourni un exemple de valorisation des données agricoles pour mener des recherches agronomiques en tenant compte des besoins et contraintes du terrain et en fournissant des informations pertinentes pour l’aide à la décision sur le terrain. Toutes les méthodes proposées dans ce projet de thèse constituent un cadre original pour la valorisation des données agricoles avec diverses applications possibles en agriculture.

Ecole : Montpellier SupAgro

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Titre : Améliorer l’utilité, l’utilisabilité et l’acceptabilité de solutions technologiques innovantes et interopérables en viticulture

Auteur : Jean Larbaigt

Résumé : Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet de recherche conduit par une coopérative agricole. Dans la littérature, les technologies sont identifiées comme des leviers prometteurs pour faire évoluer les pratiques viticoles. Pour concrétiser ce potentiel, les technologies doivent être utilisées, interrogeant l’ergonomie sur la notion centrale de cette thèse : l’adoption technologique. Ce travail poursuit deux objectifs. Le premier consiste à comprendre les déterminants du processus d’adoption technologique, en situation professionnelle, dans une perspective ergonomique. Le second est d’engager une réflexion sur la pratique de l’ergonomie en faveur de ce processus d’adoption technologique. Quatre parties empiriques aux méthodologies variées sont présentées. La première partie vise, sur la base d’entretiens, à comprendre les raisonnements élaborés par les viticulteurs pour décider des interventions culturales. La deuxième partie propose une pratique réflexive sur les apports de l’intervention ergonomique en conception. La troisième partie est une expérience de recherche visuelle permettant d’anticiper l’utilisation d’une technologie envisagée dans le cadre du projet. Enfin, la quatrième partie présente une démarche d’évaluation de l’acceptabilité d’une technologie. A travers ces quatre parties empiriques, des déterminants de l’adoption technologique sont identifiés, en complément des facteurs des modèles théoriques existants. Sont discutés les limites et les perspectives de quatre actions ergonomiques : analyser l’activité, intervenir en conception, simuler une tâche et tester un système. Cette thèse contribue d’une part à une nouvelle grille de lecture théorique de l’adoption technologique, et d’autre part à la pratique de l’ergonomie sur cette thématique.

Ecole : Université Toulouse le Mirail – Toulouse II

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Titre : Optimisation du parcours intra-parcellaire pour l’échantillonnage en production végétale

Auteur : Baptiste Oger

Résumé : L’industrie viticole a intérêt à estimer précisément le rendement de chaque parcelle afin d’optimiser au mieux la gestion de la récolte et de limiter ses coûts. Les estimations de rendements sont généralement basées sur un échantillonnage aléatoire au sein de la parcelle. Cependant le résultat de cette estimation n’est généralement pas assez précis à cause de la variabilité importante au sein même de la parcelle. Des travaux récents ont montré l’intérêt d’utiliser un indice de végétation (i.e. NDVI, GLCV, etc.) obtenu à partir de données spatiales à haute résolution pour optimiser l’échantillonnage. Ils ont montré qu’il était possible d’améliorer l’estimation jusqu’à 15% en fonction de la parcelle étudiée et de la force de corrélation entre l’indice de végétation et le rendement. D’autres travaux récents ont proposé une nouvelle approche originale, basée sur la prise en compte des contraintes spatiales opérationnelles, afin d’optimiser les opérations sur la parcelle en viticulture. L’originalité du projet de thèse est de proposer une approche interdisciplinaire qui prenne en compte les résultats de ces deux études pour optimiser l’échantillonnage spatial réalisé par un opérateur. Le travail consiste à développer une méthodologie qui prenne en compte i) des informations à haute résolution qui décrivent la variabilité au sein de la parcelle ii) les contraintes opérationnelles et spatiales (temps nécessaire pour réaliser les observations et les déplacements, la structure de la parcelle comme les rangées etc.) et iii) les spécificités de la parcelle considérée (organisation spatiale de la variabilité et force de corrélation entre les données spatiales et l’information en question etc.) La recherche fournira à l’industrie viticole un outil d’optimisation sous contraintes adaptatives pour l’échantillonnage spatial en agriculture de précision. A court terme, la méthode pourra être intégrée sur une plateforme mobile comme un smartphone. A long terme, ces résultats pourraient être utilisables pour optimiser l’échantillonnage réalisé par d’autres plateformes telles que des robots.

Ecole : Montpellier SupAgro

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Titre : Modélisation expérimentale et statistique des relations entre caractéristiques morphologiques de la vigne et dépôts de pulvérisation : application à l’agriculture de précision

Auteur : Anice Cheraiet

Résumé : Les technologies disponibles pour la pulvérisation de précision en viticulture et arboriculture sont essentiellement au stade de prototypes. Elles reposent essentiellement sur la gestion tout ou rien de buses en fonction de manques de végétation dans une haie végétale palissée. La question des échelles dans la caractérisation du couvert végétal et dans la décision de l’agriculteur reste à formaliser. Nous faisons pour ce sujet de thèse l’hypothèse qu’il est de s’appuyer sur une modélisation prédictive des doses interceptées par le végétal pour décider des quantités pertinentes à épandre. L’objectif est de développer des modèles de prédiction des quantités et profils de dépôts sur le végétal en fonction de la morphologie du couvert et des caractéristiques des pulvérisateurs. La première question scientifique est instrumentale : comment caractériser le végétal, comment échantillonner les mesures de dépôt, à quelle échelle (feuille, cep, portion rang, parcelle) faut-il travailler ? Cette question instrumentale conduit également à un questionnement statistique : quelles sont les corrélations des mesures au sein du couvert, entre ceps d’un même rang, quelle est la variabilité spatiale ? Enfin, les données collectées et analysées doivent être interprétées au plan agronomique pour prendre des décisions : comment formaliser le cadre décisionnel de la pulvérisation de précision, du point de vue de l’agriculteur ? La démarche de modélisation s’appuie sur l’expérimentation et sur la définition de scénarios technologiques portant sur les équipements, les capteurs disponibles, la conduite de la vigne notamment la géométrie du couvert et son évolution, la densité foliaire. Elle a pour objectif de définir un cadre méthodologique à la pulvérisation de précision, in fine destiné aux viticulteurs, et visant à réduire significativement l’usage des produits phytosanitaires en viticulture. La thèse est accueillie à l’Unité Mixte Technologique (UMT), intégrée à l’UMR ITAP, en partenariat IFV et Irstea, à Montpellier. L’UMT est spécialisée dans les questions de qualité et d’efficience de la pulvérisation et dispose des moyens suivants : banc de caractérisation des performances de dépôt de pulvérisation EvaSprayViti, LiDAR et algorithmes de traitement de données pour caractériser finement le végétal, accès à un réseau de parcelles expérimentales. De nombreuses données déjà disponibles au sein de l’UMT seront mobilisées pour cette thèse.

Ecole : Montpellier SupAgro

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Titre : Couplage du modèle de dispersion atmosphérique et des systèmes d’information géographique : application à la dérive de pulvérisation de pesticides

Auteur : N. Bozon

Résumé : La pollution atmosphérique par les pesticides issus de la viticulture est un problème environnemental majeur affectant aussi bien la santé humaine que l’équilibre des écosystèmes. La modélisation de la dispersion atmosphérique et l’usage des systèmes d’information géographique peuvent permettre de quantifier spatialement la pollution atmosphérique sur le territoire. Cette thèse est fondée sur le couplage d’un modèle de dispersion atmosphérique des pesticides et d’un système d’information géographique, destiné à prédire et cartographier la pollution atmosphérique après les traitements phyto-sanitaires. L’introduction des modèles numériques de terrains et des changements d’échelle dans la modélisation à complexité réduite sont présentés et illustrés. La plateforme de simulation numérique découlant du couplage prend la forme d’un plugin au logiciel Quantum GIS, explorant ainsi le potentiel des SIG libres dans l’implémentation de modèles physiques complexes. La plateforme est finalement utilisée sur un bassin versant viticole du Sud de la France, et un scénario d’analyse des risques de pollution est proposé.

Ecole : Doctorat Mathématiques Appliquées Montpellier II

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Titre : Développement d’une méthode de comparaison de données asynchrones en vue de la formalisation d’un raisonnement par analogies. Application à l’aide à la décision en viticulture

Auteur : S. Dupin

Résumé : L’objectif initial de ce travail de thèse est de valoriser les informations relatives au suivi temporel de la vigne, du raisin et de l’environnement de la plante et enregistrées dans des bases de données (BD) de traçabilité pour permettre la comparaison entre parcelles et millésimes, en vue de décisions par analogies. Les travaux réalisés durant cette thèse ont permis de proposer une méthode de trans-formation qui permet de représenter des ensembles de données asynchrones dans un espace commun afin de les comparer. Cette méthode s’appuie sur l’expertise du système de production. Dans ce travail de thèse, cette méthode a été appliquée à la comparaison de couples parcelle × millésime. L’expertise du système de production viticole permet, dans une première phase, de définir (i) la forme générale de la cinétique d’évolution de grandeurs de mesures évaluées sur la vigne, le raisin ou l’environnement de la plante et (ii) l’effet du climat sur la plante. Cette expertise est utilisée, dans une seconde phase, pour proposer des modèles paramé-triques de l’évolution de chaque grandeur. Les données de suivi de chaque couple parcelle × millésime permettent d’ajuster les paramètres du modèle. Un vecteur de paramètres est défini par couple parcelle × millésime. Ce vecteur représente l’espace commun qui rend les couples parcelle × millésime comparables. Deux stratégies de comparaison sont alors possibles : (i) les comparaisons sont réalisées à partir des paramètres (méthode intensive), ou (ii) les comparaisons sont réalisées à partir de l’estimation de la valeur de la grandeur pour chaque couple parcelle × millésime et chaque unité de temps, commune à tous les couples (méthode extensive). Cette méthode a été appliquée à trois exemples différents. Dans une première application, les climats de différents millésimes intervenus sur différents cépages, entre la floraison et la véraison, ont été comparés entre eux après modélisation des grandeurs de mesure climatiques, à l’aide de modèles très simples. Dans une seconde puis une troisième application, la cinétique d’augmentation du pH et d’accumulation des sucres dans les baies de raisin pendant la maturation a été modélisée sous la forme d’une sigmoïde. Les comparaisons ont ensuite été réalisées en travaillant sur (i) la courbe représentative de chaque cinétique (pH), (ii) les paramètres du modèle (sucres) et (iii) une estimation journalière de la concentration en sucres dans les baies. Les bases de données utilisées dans ces applications proviennent de deux régions très différentes. Des données issues du suivi de la station expérimentale INRA Pech Rouge en Languedoc-Roussillon, dans le sud de la France, ont été utilisées pour l’application 1 et une partie de l’application 3. Des données de suivi de différents domaines de la Napa Valley en Californie ont servi pour l’application 2 et une partie de l’application 3. Le changement d’espace de représentation des données apporte une connaissance nouvelle pour décrire les individus et les phénomènes temporels de la vigne. Cette connais- sance pourrait permettre de formaliser un raisonnement par analogies utilisant et valorisant l’expérience passée pour la gestion du millésime en cours.

Ecole : Ecole Doctorale : Sciences des Procédés Sciences des Aliments, Montpellier

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Titre : Potentiel des séries temporelles d’images satellites multispectrales pour la caractérisation et le suivi dynamique d’une culture : application à la vigne à l’échelle régionale

Auteur : Eva Lopez Fornieles

Résumé : Les sources d’information basées sur la télédétection présentent des caractéristiques particulièrement intéressantes pour le suivi dynamique des cultures, de l’échelle de la parcelle à l’échelle régionale. L’imagerie provenant de plateformes de télédétection est capable d’être utilisée pour l’aide à la décision opérationnelle (pour l’expertise ou comme entrée de modèle) pour le suivi des cultures à différentes échelles. Malgré la démonstration de cette capacité dans des études précédentes, le développement de ces nouvelles sources d’information (plateformes et capteurs) progresse plus rapidement que le développement de nouvelles technologies de l’information adaptées à la gestion de cette grande quantité de données. En effet, les informations qui caractérisent ce type de données sont non seulement volumineuses (multidimensionnelles), mais aussi très hétérogènes, ce qui reste un défi pour le traitement des données et les interprétations agronomiques.Afin de contextualiser cette recherche, ce projet de recherche doctorale s’est concentré sur le potentiel d’une série temporelle d’images satellitaires Sentinel-2 pour le suivi des vignobles à l’échelle régionale dans la région Occitanie (France). Ce jeu de données spatio-temporel Sentinel-2 présente des caractéristiques uniques en termes de temps de revisite, de résolution spatiale, d’informations attributaires fournies et de coût. De plus, le choix de la couverture spatiale est intéressant en soi, car la région viticole de Languedoc-Roussillon représente une grande diversité de conditions agro-environnementales qui se traduit par un grand nombre de cépages différents cultivés ainsi qu’une grande diversité dans les pratiques de gestion des viticulteurs. L’ensemble de ces facteurs introduit des niveaux supplémentaires de variabilité dans l’analyse des données viticoles à l’échelle régionale. Ce travail de thèse est basé sur l’hypothèse que l’évaluation de la variabilité temporelle de l’imagerie satellitaire, en plus des variations spectrales, permettrait une analyse plus complète pour dériver des informations nouvelles et pertinentes sur la variabilité de la production des vignobles individuels à l’échelle régionale. Dans cette optique, l’objectif principal de cette thèse a été d’intégrer des analyses temporelles, en tant que descripteur supplémentaire de la variabilité des vignobles, afin de prendre en compte, d’une manière plus holistique, toutes les dimensions spécifiques des données de télédétection (spectrales, temporelles et spatiales). Différentes méthodes d’analyse multivoie supervisées et non supervisées, dérivées du domaine de la chimiométrie, ont été utilisées, capables de générer des informations à l’échelle régionale à partir de séries temporelles d’images multi-spectrales. Les approches non supervisées ont démontré la possibilité d’extraire des connaissances agronomiques dans le temps (par exemple, différentes dynamiques végétatives) sans prérequis préalables. Les méthodes supervisées ont permis, d’une part, l’évaluation spectrale, temporelle et spatiale d’un événement climatique extrême (par exemple une vague de chaleur) et, d’autre part, la sélection de variables multidimensionnelles (spectrales-temporelles) pour approfondir la compréhension agronomique de l’impact d’un événement climatique extrême sur la vigne à une échelle régionale.Ce travail démontre que les méthodes d’analyse exploitant les signatures temporelles et spectrales pour extraire des informations sur les variations de la croissance végétative à l’échelle régionale offrent des informations précieuses pour évaluer la performance des cultures individuelles. En tenant compte de la haute dimensionnalité des données, qui inclut la dimension temporelle, les besoins ainsi que les limites de l’analyse des séries temporelles sont explorés dans le contexte de la fourniture d’informations pertinentes pour aider à la connaissance à grande échelle d’une culture, telle que la vigne.

Ecole : Montpellier SupAgro

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