BELCAM

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Les stratégies de gestion des agro-écosystèmes ont évoluées au cours des 50 dernières années de par une intensification de l’utilisation de produits phytosanitaires et de machines agricoles, une extension des zones irriguées et une utilisation de nouvelles variétés. Néanmoins compte tenu de l’utilisation excessive d’intrants ayant également joué un rôle significatif dans la dégradation de l’environnement,  la fertilisation azotée doit être raisonnée à l’échelle de la parcelle en fonction des besoins des cultures (froment d’hiver, maïs et pomme de terre) pour en optimiser la gestion. Les bonnes pratiques en termes de gestion des intrants azotés ont des impacts positifs au niveau économique et environnemental (ruissellement, lessivage…) et permettent une amélioration du rendement et de la qualité de la culture. Les pratiques optimisées de fertilisation ainsi qu’une couverture hivernale des sols permettant une réduction de l’érosion et du lessivage s’inscrivent dans l’évolution des systèmes culturaux en vue d’une agriculture durable.
L’avènement d’une nouvelle génération de capteurs satellite dotés d’une résolution spatiale et temporelle élevée (p.ex. Sentinel-1, Sentinel-2 et PROBA-V) ouvre les portes au développement de nouveaux prototypes d’applications nettement plus orientés vers les utilisateurs finaux. En parallèle, les technologies de communication mobile sont  en train de façonner un monde nouveau dans lequel les interactions et les échanges d’informations en temps réel deviennent très rapide et flexible.
S’appuyant sur les avancées les plus récentes de la télédétection et de la technologie de communication, le challenge du projet BELCAM est de complétement  changer les interactions entre les utilisateurs et les producteurs ainsi que pour les fournisseurs d’images de télédétection d’accélérer notablement le processus crucial d’apprentissage sur base d’inputs et de feedbacks reçus en temps réels de la part des utilisateurs.
Assurer l’approvisionnement alimentaire tout en réduisant les impacts environnementaux est un défi majeur de notre société globalisée. Le principal objectif du projet vise au développement de méthodes et de chaines de traitements de télédétection capables d’intégrer des données de crowdsourcing provenant d’agriculteurs ou de partenaires associés soit sur une base volontaire ou via un échange de services d’information en vue de fournir des informations pertinentes et à jour à l’échelle de la parcelle et du district.  Le projet BELCAM, travaillant sur un site JECAM situé en Belgique et profitant également des campagnes BELAIR, contribue pleinement aux objectifs de GEOGLAM, une initiative supportée par le G8. En effet, à l’ère des missions Sentinels et PROBA, la Belgique représente un site expérimental des plus intéressants en vue de mettre sur pied et de tester des méthodes innovantes dans le cadre d’un système d’information collaboratif compte tenu de la diversité de ses cultures, le morcellement de son paysage, sa variabilité atmosphérique et des jeux de données déjà disponibles (carte de sol digitalisée, parcellaire agricole,…etc). Le développement du prototype BELCAM est basé sur des pratiques de suivi in situ des cultures (blé, pomme de terre) préexistant  et sur l’interaction avec des centres pilotes mettant à disposition des champs d’essais sur l’ensemble du pays.

Contexte

Les stratégies de gestion des agro-écosystèmes ont évoluées au cours des 50 dernières années de par une intensification de l’utilisation de produits phytosanitaires et de machines agricoles, une extension des zones irriguées et une utilisation de nouvelles variétés. Néanmoins compte tenu de l’utilisation excessive d’intrants ayant également joué un rôle significatif dans la dégradation de l’environnement,  la fertilisation azotée doit être raisonnée à l’échelle de la parcelle en fonction des besoins des cultures (froment d’hiver, maïs et pomme de terre) pour en optimiser la gestion. Les bonnes pratiques en termes de gestion des intrants azotés ont des impacts positifs au niveau économique et environnemental (ruissellement, lessivage…) et permettent une amélioration du rendement et de la qualité de la culture. Les pratiques optimisées de fertilisation ainsi qu’une couverture hivernale des sols permettant une réduction de l’érosion et du lessivage s’inscrivent dans l’évolution des systèmes culturaux en vue d’une agriculture durable.
L’avènement d’une nouvelle génération de capteurs satellite dotés d’une résolution spatiale et temporelle élevée (p.ex. Sentinel-1, Sentinel-2 et PROBA-V) ouvre les portes au développement de nouveaux prototypes d’applications nettement plus orientés vers les utilisateurs finaux. En parallèle, les technologies de communication mobile sont  en train de façonner un monde nouveau dans lequel les interactions et les échanges d’informations en temps réel deviennent très rapide et flexible.
S’appuyant sur les avancées les plus récentes de la télédétection et de la technologie de communication, le challenge du projet BELCAM est de complétement  changer les interactions entre les utilisateurs et les producteurs ainsi que pour les fournisseurs d’images de télédétection d’accélérer notablement le processus crucial d’apprentissage sur base d’inputs et de feedbacks reçus en temps réels de la part des utilisateurs.

Objectifs

Le principal objectif du projet vise au développement de méthodes et de chaines de traitements de télédétection capables d’intégrer, en vue de fournir des informations pertinentes et à jour à l’échelle de la parcelle et du district, des données de crowdsourcing provenant d’agriculteurs ou de partenaires associés et transmises soit sur une base volontaire ou via un échange de services d’information.
Le premier objectif de recherche est quant à lui de conceptualiser et d’expérimenter collectivement un système de suivi agricole collaboratif et ouvert s’appuyant sur des données de terrain et de télédétection. Le cycle classique d’un produit à savoir « besoins – définition du produit – feedback des utilisateurs » sera d’une part notablement accéléré (Plusieurs cycles sont attendus dans le cadre du projet).
La seconde composante collaborative correspond au crowdsourcing professionnel basé sur la transmission en temps réel des informations collectées localement par les professionnels du secteur permettant d’enrichir tout au long de la saison le traitement des séries temporelles d’images satellites via des techniques d’apprentissage automatique ou l’ajustement d’algorithme. La résultante de cet objectif est la mise en place du système de suivi agricole collaboratif.  
La deuxième question de recherche étudie les sources de variabilité des performances d’extraction de plusieurs variables de télédétection comme la concentration en chlorophylle, le contenu en azote, le fAPAR, le LAI, la biomasse de même et d’informations sur les principaux stress et sur les dégâts des ravageurs. La résultante de cette question de recherche consistera en une gamme de produits d’information sur les cultures adaptés à une utilisation pratique à l’échelle de la parcelle et au niveau administratif.
La troisième question de recherche aborde le changement de paradigme dans la modélisation des cultures. En effet, la plupart des modèles de croissance existants ont été développés dans les années 80 et 90 dans des contextes de faible disponibilité en données. L’emphase était à l’époque sur une approche mécanistique pour reproduire les processus physiologiques conduisant uniquement au rendement potentiel. La troisième question de recherche vise à identifier les relations mécanistiques entre le rendement et les données d’observation de la terre disponibles ainsi qu’à l’élaboration d’un nouveau modèle (semi-) mécanistique intégrant les variables ou métriques de télédétection.
Ces 3 questions scientifiques seront abordées en parallèle compte tenu de leur interaction. La finalité globale du projet est un prototype de système de suivi agricole collaboratif (BELCAM) permettant une amélioration continue des produits de télédétection venant, d’une part, en appui des conseils agricoles à la parcelle fournis par le CRA-W et, d’autre part, contribuant à des services agricoles opérationnels lors de leur analyse a posteriori (évaluation du stress, des maladies et des impacts par région). L’hypothèse de travail de BELCAM repose sur le fait que les professionnels fournissant des informations dans une approche crowdsourcing (informations éventuellement anonyme mais toujours géolocalisée à la parcelle) obtiendront une information tirée de la télédétection satellitaire plus fiable que ceux non impliqués dans la démarche.

Description des tâches

Les principales tâche sont de :

  1. Conceptualiser et tester un système de suivi agricole collaborative basé sur des données de terrain et satellitaires ;
  2. Collecter et prétraiter différents types de données d’observation de la terre ;
  3. Mener des recherches sur le comblement de séries temporelles d’images HR sur base d’une approche modèle ;
  4. Déterminer l’ensemble de la séquence culturale d’un champ donné tout au long de l’année.
  1. Collecter toutes les données utiles  de terrain et de terrain  permettant l’établissement du bilan annuel en azote à l’échelle de la parcelle.
  2. Identifier les principales zones d’hétérogénéité existantes au sein d’un champ en vue d’une adaptation de la recommandation en azote au sein de chaque zone. 
  3. Développer des méthodes pour quantifier le statut azoté de la culture sur base de la teneur en chlorophylle des feuilles.
  4. Mettre en place un système de support à l’échelle du district pour les centres pilotes ayant un rôle dans le suivi des variables biophysiques clés (LAI, fAPAR, stress hydrique et en azote) en conditions normales mais également utilisé comme système d’alerte en cas de situations extrêmes.
  5. Elaborer, calibrer et implementer un modèle de rendement innovant à l’échelle du district basé sur des données satellitaires présentant une haute résolution spatiale et temporelle et des données issue du crowdsourcing.

Résultats attendus

Les résultats attendus consistent en 6 produits fournis aux professionnels tout au long de la saison de croissance :

  1. bilan annuel en azote prévisionnel à l’échelle de la parcelle, basé sur les précédents culturaux, les pratiques culturales (p.ex. résidus de culture, engrais vert, labour …) et les caractéristiques de la parcelle agricole (pente, texture du sol,…) ;
  2. Zonation annuelle des parcelles, pour favoriser l’ajustement des pratiques agricoles en fonction de l’hétérogénéité de celles-ci ;
  3. Statut azoté en pomme de terre et en froment d’hiver à l’échelle de la parcelle en vue de la prise de décision quant à l’application ou non d’une seconde application ou portant sur le niveau d’une 3ième fraction en azote sur base de l’estimation de la teneur en chlorophylle a et b et de la teneur en azote ;
  4. statut global de la culture (LAI, fAPAR, biomasse) en pomme de terre, froment d’herve et en maïs tout au long de la saison et à l’échelle du district ;
  5. Evaluation des dégâts occasionnés par les principaux ravageurs, le stress hydrique et les maladies à l’échelle du district sur base de séries temporelles SAR et optiques.  
  6. Estimation du rendement sur base du nouveau modèle à l’échelle du district.

Contribution

Département Agriculture et milieu naturel (D3)

Unité Systèmes agraires, Territoires et Technologie de l'Information (U11)

  • Viviane PLANCHON
  • Yannick CURNEL
  • Dimitri GOFFART
  • Sébastien MATAGNE (IT Developper)

Département Productions et Filières (D2)

Unité Stratégies Phytotechniques (U5)

  • Jean-Pierre GOFFART
  • xx (Field technician)

Partenaires

  • Université catholique de Louvain (UCL), Earth and Life Institute / Environmental science (ELI-e) : Pierre Defourny
  • Flemish institute for technological research (VITO) - Remote Sensing Unit : Isabelle Piccard
  • Université de Liège (ULg), Département des Sciences et Gestion de l’Environnement - Campus Arlon : Bernard Tychon
  • Institut National de la Recherche Agronomique (INRA)

Coordinateur hors CRA-W

Prof. Pierre Defourny
Université catholique de Louvain (UCL)
Earth and Life Institute / Environmental science (ELI-e)
Croix du Sud 2, bte L7.05.16, 1348 Louvain-la-Neuve

Financement

  • BELSPO

Equipe

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