9,77

MILLIARDS

D'HABITANTS SUR TERRE D'ici 2050

Selon les derniers chiffres des Nations unies, la population mondiale devrait atteindre 9,77 milliards en 2050, contre 7,55 milliards actuellement et la terre comptera 11,18 milliards d’individus en 2100. Il s'agit d'un formidable défi en terme environnemental, un défi aussi pour le secteur agricole. Dans le même temps, alors que les surfaces cultivables ne sont pas extensibles à l'infini, le monde agricole va devoir accroître de 50% sa production afin de nourrir une population sans cesse plus exigeante en termes de calories consommées chaque jour, mais aussi de plus en plus soucieuse des conditions de production, les populations des pays riches poussant les producteurs à aller vers le "zéro résidu" de pesticides dans leurs aliments. Pour répondre à ces deux exigences qui peuvent paraître contradictoires, les AgTech développent des outils pour aider les agriculteurs à aller vers ce que l'on a englobé sous le terme d'agriculture de précision. Au moyen de capteurs connectés, de drones et d'images satellites, l'analyse fine des parcelles permet d'optimiser les intrants, qu'il s'agisse de fertilisants, des pesticides, des apports en eau. L'image de cultures surveillées en quasi temps-réel par satellite et d'un tracteur piloté par la "Data" n'a plus rien de la science fiction et cette approche "Big Data" rencontre désormais une autre science, celle de la simulation numérique.

LES AGTECH EN PLEIN DEVELOPPEMENT

plants

Shutterstock

Simuler la croissance des plantes, un thème de recherche relativement ancien

MODéLISATION DE PLANTES EN 3D

Cedar Youth

Dès les années 70, les scientifiques ont cherché à reproduire sur ordinateur la croissance des plantes. L’équipe du français Philippe de Reffye, ingénieur agronome, docteur des sciences et chercheur au CIRAD (Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement) est alors pionnière dans ce domaine nouveau. C'est véritablement à partir des années 80, lorsque la puissance informatique et la 3D ont commencé à être disponibles que cette nouvelle discipline prend son essor. « L’idée était de décrire les végétaux de manière statistique, la structure des plantes et de coupler cela avec la CAO et l’imagerie informatique » explique Marc Jeager, ingénieur de recherche au CIRAD. « Ces travaux ont permis d’obtenir des résultats visuels très spectaculaires. Ce n'est qu'ensuite que nous y avons intégré des savoirs venus de la biologie et de l’agronomie. » Les modèles de croissance élaborés par les chercheurs de l'unité mixte de recherche « botAnique et bioinforMatique de l'Architecture des Plantes » (AMAP) ont été notamment utilisés dans le monde du cinéma afin de générer des scènes de champs et de forêts réalistes. Ils sont toujours mis en œuvre par les aménageurs, les architectes et paysagistes. Une start-up, Bionatics, exploite ainsi ces modèles numériques dans ses logiciels de simulation d’environnements pour les aménageurs, les urbanistes, etc. Il est ainsi possible de visualiser un paysage ou une scène urbaine dans 10 ans, dans 20 ans et voir à quoi ressemblera ce paysage lorsque la végétation se sera développée.

MARC JAEGER
Regard d'expert

Marc Jeager

Ingénieur de rechercher au CIRAD

"L’idée était de décrire les végétaux de manière statistique, la structure des plantes et de coupler cela avec la CAO et l’imagerie informatique

À l'origine purement graphiques, ces modèles de développement ont été affinés afin d'intégrer les comportements liés à la biologie de la plante. Les chercheurs se sont attachés à simuler le fonctionnement interne des organes de la plante et simuler la croissance des fruits. Car outre le seul point de vue visuel, simuler avec précision la biologie, le métabolisme complet d'une plante, est un moyen d'évaluer précisément ce que sera sa production en plein champ ou sous serre. Pour les chercheurs, élaborer de telles simulations s'avère bien plus complexe : « Modéliser le rendement d’une plante peut sembler simple. La relation entre la croissance de la plante et la température est une droite. De même, la quantité d’eau et la production de la plante est une droite, mais la plante, c’est un système dynamique. Généralement, quand la température s’élève, l’eau se raréfie. Il faut voir une plante comme un système complexe dynamique, un peu comme un circuit électronique qui se construit lui-même et auquel viennent s'ajouter de nouveaux composants tout au long de sa croissance. En ce sens, une plante, un arbre est un système dynamique qu’il est passionnant de modéliser. » De multiples paramètres influent les uns avec les autres et rendent ce calcul complexe et si on sait modéliser avec précision la pousse et la fleuraison d'un plant de tournesol, le problème prend une tout autre échelle lorsqu'il s'agit de fournir le nombre de quintaux qu'une parcelle va produire sachant que l'agriculteur va semer de 60 000 à 80 000 plants à l'hectare. Simuler plusieurs hectares de cultures fait exploser la quantité de calculs nécessaires et pose de nombreuses questions en termes de variabilité entre les plants et de modélisation des interactions entre eux. En dépit de ces défis, depuis les années 2010, on dispose d'algorithmes capables de fournir des valeurs fiables quant au rendement d'une parcelle.

À l'inverse, comprendre la mécanique de développement d'un végétal ouvre la voie à d'autres applications. Il est aussi possible d'analyser l'état sanitaire d'une plante au moyen d'une simple photo. « Les coûts d’acquisition de l’imagerie qu’elle soit satellitaire ou par drone, ont beaucoup baissé et on a de plus en plus de demandes pour diagnostiquer l’état d’un arbre en ville à partir d’une photo ou juger du dépérissement d’arbres face à l’avancée de chenilles processionnaires, par exemple." explique Marc Jaeger. Cette connaissance de la "taxonomie" des plantes a notamment permis le développement de l'application mobile PlantNet qui reconnaît une espèce au moyen d'une simple photo.

SIMULER DES ESPACES NATURELS

aesthetic

Si les modèles de simulation pour les principales cultures sont aujourd'hui bien maitrisés et matures, la recherche en simulation a encore de grands défis devant elle : « Simuler un espace naturel reste un vrai défi et il faudra sans doute encore de nombreuses années de recherches afin de modéliser toutes les interactions entre les plantes, les arbres d’une forêt, si on y parvient un jour ! » Modéliser le développement de végétaux de plusieurs espèces en compétition les uns avec les autres est une tâche très complexe à réaliser pour les chercheurs, mais elle n'a rien d'anodin. On sait que l’agriculture de demain ne sera plus monoculturale. On va de plus en plus cultiver plusieurs espèces ensemble afin de bénéficier des propriétés répulsives contre les insectes de certaines espèces et ainsi limiter les apports en produits phytosanitaire. Pour généraliser à grande échelle ces modes de culture associés, il est capital de bien connaître les interactions entre espèces et de les simuler afin de choisir les espèces mais aussi leur disposition sur une parcelle pour optimiser les interactions entre végétaux.

Quand la simulation se marie au Big Data

Christian Saguez
Regard d'expert

Christian Saguez

Président de CYBELETECH

Avec l’apprentissage par les données, le Machine Learning, on est aujourd’hui capable de mettre au point des modèles prévisionnels qui vont intégrer des phénomènes très aléatoires et très complexes et qu’on ne sait pas modéliser. 
L'un des plus fervents adeptes de la simulation dans le secteur agricole en France est sans nul doute Christian Saguez. Ancien directeur des relations industrielles du CNES, puis de l'INRIA celui-ci a  fondé la société Simulog, éditeur de logiciels de simulation pour l'industrie. Depuis, président de l'association Teratec, pôle français du calcul haute performance, cette figure de la simulation croit fermement aux atouts de la simulation numérique dans l'agriculture. Vice-président de l'AgreenTech Valley, il est aussi président de la société CybeleTech, une start-up qui valorise les modèles de simulation élaborés par Digiplante le groupe de recherche conjoint entre l’INRIA et l’Ecole Centrale qu’il a fondé avec Philippe de Reffye en 2003. « Nous voulons exploiter toutes les potentialités des technologies du numérique à toute la chaine du végétal, c'est à dire depuis les semenciers, les agriculteurs, les coopératives, les transformateurs jusqu'aux consommateurs » résume Christian Saguez. Pour cet expert de la simulation, c'est la synergie entre la simulation et le Big Data qui génèrera le plus de valeur pour les agriculteurs. « Notre expertise s'appuie sur 2 pans technologiques : d'une part la modélisation et la simulation de la croissance des plantes, avec des modèles mécaniques qui sont capables de simuler la croissance de plantes en prenant en compte leur environnement, le sol, le climat, etc. Il existe aujourd'hui des modèles éprouvés pour les grandes cultures céréalières comme le blé, le maïs, le soja, les plantes maraichères comme la tomate, le concombre mais aussi les cultures de type riz, café, etc. La deuxième approche, c'est ce que l'on appelle aujourd'hui les "data". Aujourd’hui on dispose des capteurs partout, on commence à disposer de données historiques et on dispose beaucoup de données issues des drones et des satellites. Avec l’apprentissage par les données, le Machine Learning, on est aujourd’hui capable de mettre au point des modèles prévisionnels qui vont intégrer des phénomènes très aléatoires et très complexes et qu’on ne sait pas modéliser. »

simulation et big data 

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AKU

Illustration parfaite de cette double approche, le projet Magestan mené par les organisations interprofessionnelles françaises de la filière Fruits et légumes frais. Ce projet vise à mettre au point une serre totalement pilotée par le numérique et a pour objectif d'optimiser l'efficacité des intrants et de limiter les déperditions avant l'objectif de produire plus de tomates et de concombres tout en améliorant la qualité gustative des fruits. Christian Saguez souligne la difficulté de modéliser le fonctionnement complet d'une serre : « Une serre est un milieu très complexe, car il y a la température, la nutrition, la maturité des fruits, le taux hydrique, c'est-à-dire de multiples systèmes imbriqués. Nous parvenons à réaliser une optimisation globale de ce système par le couplage des modèles équationnels d'une part qui simule le développement des plants de tomate d'un côté et de l'autre la Data avec des capteurs qui livrent des données sur l'environnement de la serre » explique Christian Saguez. 

MODELISER LES SERRES

PLANT

Cette association de modèles numériques de natures différentes permet à la start-up de proposer des outils d’aide à la décision aux différents acteurs du secteur agricole afin de choisir les semences, réaliser une sélection variétale mais elle permet aussi de répondre aux besoins de l’agriculture de précision, car ces outils de simulation peuvent travailler à l’échelle intra-parcellaire et indiquer à l’agriculteur quelles zones à l’intérieur d’une parcelle ont le plus besoin de fertilisants, celles où les plantes risquent le plus fort stress hydrique, etc. Big Data et simulation numérique seront des moyens pour aller vers  le « zéro résidu » qui est aujourd’hui l’un des grands enjeux de la consommation des pays développés. Ce sont aussi des outils prévisionnels pour les producteurs qui vont ainsi pouvoir faire face à la volatilité des marchés des produits agricole. « Le taux de protéine d'une céréale est une donnée très importante car c’est elle qui va définir la valeur d’une récolte sur le marché. Si l'agriculteur peut savoir à quelles quantités il va pouvoir produire et à quel taux de protéine sera sa récolte, il peut prendre les bonnes décisions. » CybeleTech participe notamment au projet Smart Agriculture System (SAS) dont l'objectif est de développer un système de prévision de rendement de la culture du blé au niveau parcellaire. 

Une technologie au service des pays en développement

OPTIMISER LES CULTURES DANS LES PAYS EN DEVELOPPEMENT

3D PLANT

De tels outils d’aide à l’optimisation des cultures permettent aux agriculteurs de maximaliser le rendement et la qualité de leur production, ils seront aussi un moyen, pour les pays en développement, d’augmenter le volume et les rendements de leurs productions agricoles et faire face aux besoins croissants de leurs populations. « Nous commençons à mener des actions en Afrique, notamment au Sénégal et nous avons pris des contacts en Amérique du Sud » confie Christian Saguez. « Ces pays ont besoin de maîtriser leur agriculture, ont besoin d’aller vers une agriculture durable afin de ne pas épuiser les sols après 5 ans d’exploitation. En outre, comme on l’a vu récemment sur le cours du café dont la valeur est très directement liée à la qualité de la récolte, les produits agricoles sont confrontés à des marchés mondiaux très fluctuants. Les producteurs ont besoin d’un minium de garanties quant à la qualité du produit. L’Afrique connaît aujourd’hui une informatisation rapide et l’agriculture est un secteur qui va en bénéficier. Ces pays sont très demandeurs de solutions qui les aideront à prendre les bonnes décisions. »

La simulation sort enfin des laboratoires de recherche et, combiné au Big Data, est en train de trouver son marché. CybeleTech a d'ailleurs connu une croissance de +50% en 2017 et vise +100% en 2018.

Rédigé par Alain Clapaud
Journaliste