Mesure en bioclimatologie : une longue histoire, du service à l'orientation des recherches et l'innovation Pierre CELLIER, INRA, UMR Ecosys, Grignon Frédéric BARET, INRA UMR Emmah, Avignon 1 avril 2016
_01 Un peu d histoire : la mesure, une composante importante de l identité «bioclimato».02
Pourquoi parler de mesures, ici? La bioclimatologie est l'étude des effets du climat et des microclimats sur le développement de tous les êtres vivants et par extension sur les écosystèmes (Wikipedia) Caractériser les états du milieu et de l objet d étude (plante, sol ): - température - humidité - concentrations - dans différents milieux : -Air -Sol -Plante -Eau Quantifier les échanges entre la plante ou le couvert végétal et son environnement : - flux radiatif - de chaleur - d évaporation - de CO 2 - de polluants Depuis le sol ou la plante, dans la plante, dans le sol.03
Pourquoi parler de mesures, ici? «j ai découvert, grâce à R Durand, chercheur Inra donnant des cours de «bioclimatologie», cette discipline toute neuve qu on pouvait considérer comme une partie de l Ecologie. Elle m a tout de suite plu par l alliance qu on y trouvait entre la physique et la biologie.» (Interview P. Cruiziat, Archorales (archives orales de l INRA) ) Une forte spécificité de la bioclimatologie à l INRA par l importance prise par la physique En Sciences Physiques, la métrologie a, de tout temps, été de première importance Il est même difficile de trouver des méthodes de mesure (même dites «chimiques» ou «biologiques») qui ne soient pas à base de physique.04
On mesure «tout» ou presque De l organe végétal à la parcelle.05
On mesure «tout» ou presque De la parcelle à la région, voire au-delà.06
Minute de nostalgie : «Je vous parle d un temps que les moins de 40 ans ne peuvent pas connaitre» Déjà une grande diversité : Des choses classiques - Rayonnement - Température - Humidité, vent, pluie - ETP Mais aussi - Flux de chaleur et ETR - Concentration d anhydride carbonique - Flux d anhydride carbonique - Centrales de mesure.07
Une implication forte de l ensemble des bioclimatologues de l époque Une grande variété d auteurs : presque tous les grands noms de la bioclimato de l époque : Une pratique courante et quasiobligée de la mesure Partagée par tous Une vraie réflexion sur le sujet Visionnaire sur certains plans Donc avant 1973.08
_02 La mesure: du support de nos thématiques à un objet propre de recherches.09
La mesure: du support de nos thématiques à un objet propre de recherches La mesure en support à nos thématiques Mesures pour décrire et comprendre des processus: formalisation d hypothèses, conception de modèles Thématique Questions?? Mesures pour vérifier des hypothèses: Consolidation du modèle Mesures pour étalonner un modèle: Adaptation du modèle Mesures pour l action: Aide à la décision / sélection Le modèle (d interprétation) apparait donc explicitement ou non associé à la mesure.010
La chaine de mesures Capteur Conditionneur Mesure Interprétation.011
Le couple capteur/conditionneur Dispositifs clé en main, sur étagère Exemples: SPAD, LAI2000, Radiomètre, radiothermomètre, sondes d humidité, anémomètre, rayonnement, échanges de gaz Étalonnage Inter-comparaison Mode opératoire Domaine de validité Précision: justesse + fidélité Réplication d un dispositif existant Exemple: bombe à pression, capteurs PAR Assemblage de modules existants Capteurs + acquisition de données + alimentation + transmission Cohérence des modules. Développement d interfaces parfois nécessaire Nouveau développement Cahier des charges Revue de l existant: Développement interne ou sous-traitance Prototype Améliorations incrémentales Système opérationnel (industriel).012
Quelques unités avec une forte tradition en métrologie Dendromètre PEPISTA JG Huguet, 1985 Interprétation «automatique» de photographies hémisphériques R. Bonhomme, 1972 Radiomètre CIMEL G. Guyot (1990) Rhizotub / Rhizocab C. Salon, 2015 Mesure potentiel P. Cruiziat, 2001 Certains prototypes sont industrialisés et utilisés à l extérieur de l INRA d autres pas: importance du choix de l industriel!.013
Quand la mesure devient objet de recherche Des capteurs existants avec une base d interprétation solide Cohérence du système de mesure avec les besoins Précision / validation Mise en œuvre-échantillonnage Caractérisation (sensibilité spectrale, directionelle, température ) Comparaison de modèles/marques Robustesse Filtrage des données Adaptation du modèle d interprétation Des mesures que l on aimerait bien réaliser mais pas de systèmes adaptés! Développement de systèmes: peut être très chronophage (même si sous-traitance) Devient central dans les activités Mises au point incrémentales Des capteurs disponibles mais sans idée précise de ce que l on pourrait en tirer Analyse exploratoire Rendue possible par la diversité des capteurs sur étagère, et les nouvelles méthodes d interprétation (deep-learning ) Mesures sans modèle n est que ruine de l âme.014
Adaptation du système d interprétation: Cohérence modèle-mesure Mesures LiDAR sur phenomobile Exemple de nuage de points 3D (résolution: 3x5mm²) Couvert artificiel décrit parfaitement Mesures LiDAR phenomobile Simulations LiDAR Très bon accord entre mesures et simulations
Différents niveaux d interprétation (traitement) Mesures Physique Capteur L0: Signal brut Connaissance des processus physiques Etalonnage Conditions de mesure L1: Grandeur physique ou normalisée Instant Connaissance a priori, Combinaison avec d autres informations L2: Variable d état ou flux Applications Biologie Connaissance sur les processus biophysiques, biologiques modélisation Modèle biophysique L3: Traits fonctionnels (model parameters, efficiencies ) Dynamique 16.016
Changement de paradigme Plus de systèmes de mesure disponibles (et moins couteux) Foisonnement de startup proposant produits et services Utilisation de systèmes grand-public Nombreux modules avec standards compatibles Moins de temps passé à développer des systèmes de mesure En parallèle à la réduction des effectifs techniques!! Plus de temps consacré à l interprétation Mais: volumes de données beaucoup plus grands Augmentation nombre de capteurs/résolution/fréquence d acquisition Doublement tous les 7 à 18 mois Nécessité d algorithmes de traitement automatique Allons nous vers des approches moins basées sur des modèles conceptuels faisant la part belle à des modèles empiriques reposant sur l exploitation des masses de données (bigdata) qui s(er)ont disponibles? Sommes nous prêts pour cette possible révolution?.017
_03 La mesure, interface avec d autres disciplines et pour des approches nouvelles "Mesureur" expert, collaborateur ou transmetteur.018
Les développements métrologiques ont été à l origine d évolutions thématiques parfois majeures Gel température, humidité, vent Mesureur expert Collab.: agrométéo, physiologie du gel, profession,.019
Métrologie et évolutions des thématiques Gel température, humidité, vent Bilan hydrique, ETR + rayonnement + teneur en eau du sol Bilan d énergie la totale Productivité des cultures différentes composantes du rayonnement, structure du couvert, télédétection Mesureur collaborateur Collab.: agronomie, écophysiologie, écologie,.020
Métrologie et évolutions des thématiques Gel température, humidité, vent Bilan hydrique, ETR + rayonnement + teneur en eau du sol Bilan d énergie la totale Productivité des cultures différentes composantes du rayonnement, structure du couvert, télédétection Mesures de flux automatisation, synchronisation, nouveaux capteurs rapides, calcul temps réel Mesureur transmetteur Collab.: agronomie, biogéochimie, climatologie,.021
Un exemple emblématique: les mesures de flux turbulents Des théories anciennes en mécanique des fluides (Monin et Obukhov, 1954) et en analyse du signal Développement de la micrométéorologie Des évolutions rapides en métrologie Capteurs plus rapides, précis et fiable : anémomètre, hygromètres, analyseurs CO 2 /H 2 O, puis N 2 O, CH 4, COV Chaines d acquisition et de traitement des données de plus en plus rapides et fiables.022
Un exemple emblématique: les mesures de flux turbulents Du labo au champ et au suivi de routine Passage de l expé ponctuelle et de courte durée à des réseaux mondiaux de suivi des flux à long terme Des mesures de spécialistes (micrométéorologues) à un large partage et des collaborations en réseau : agronomes, science du sol, biogéochimistes.023
Des contextes qui ont beaucoup changé Du bricolage et de l assemblage Capteurs, association et coordination de capteurs Systèmes d acquisition, centralisation de données où on passait son temps à essayer de «faire tourner» le système de mesure....024
Des contextes qui ont beaucoup changé Du bricolage et de l assemblage au clef en main émergence d un marché de l observation.025
Des contextes qui ont beaucoup changé Du bricolage et de l assemblage au clef en main et vers de nouvelles collaborations et sous-traitances Création de start-ups, brevets, licences, Va-t-on aller de l atelier «maison» aux Fab Labs? INOVIAFLOW.026
En guise de conclusion La mesure, une activité aux multiples facettes au cœur de la bioclimatologie (comme d autres disciplines) Une implication forte de certains acteurs de la recherche pour une large gamme de motivations Des capteurs qui ont évolué vers plus de technologie : électronique, automatisation, capteurs connectés, capteurs ne réseau, haut-débit Un boom dans les domaines de l observation environnementale et du conseil agronomique Des enjeux très actuels : "big data", agriculture numérique, De nouvelles manières de travailler : capteurs en réseau, connectés, drones