Enjeux sociétaux et questions de recherche

Selon le dernier exercice de projection mondiale à 2050 de l’Organisation pour l’alimentation et l’agriculture (FAO), la population mondiale va croître considérablement dans les prochaines décennies. Pour y répondre, la production agricole mondiale devra augmenter d’environ 70 % d’ici 2050,par rapport au niveau de production de 2005 (FAO, 2011). Environ 80 % de cette augmentation devra provenir de l’accroissement des rendements et de l’intensification agricole, telle que l’augmentation des cycles culturaux par année et/ou le raccourcissement des périodes de jachère.

Champs cultivés au Mali [Vintrou, 2010]

Ces évolutions doivent faire face au changement climatique (caractérisé par la variabilité des précipitations et un nombre croissant d’événements extrêmes) et à ses conséquences (évolution des distributions de plantes et les maladies à transmission vectorielle, et variabilité accrue du rendement des cultures), à la concurrence pour les terres (concurrence accrue entre l’alimentation et la production de bioénergie), et aux pressions environnementales qui leur sont associées (e.g., surexploitation des ressources en eau du sol, dégradation de la qualité de l’eau, et dégradation des sols). En conséquence, en plus de la nécessité d’augmenter la production agricole, l’agriculture aura pour défi majeur l’amélioration de la gestion des ressources naturelles, en particulier par l’adoption de pratiques plus respectueuses de l’environnement, telles que l’intensification écologique ou l’agriculture de conservation.

Dans ce contexte, il existe un large panel d’applications de la télédétection pour l’agriculture :

  • le suivi des cultures à l’échelle régionale et mondiale, pour les marchés ;
  • le suivi des cultures dans les pays à risque, pour la sécurité alimentaire ;
  • la cartographie de l’occupation et de l’utilisation des sols, et de leur dynamique, pour les politiques publiques et les questions environnementales ;
  • l’estimation des variables biophysiques pour l’agriculture de précision, le phénotypage, et les bilans du carbone et de l’eau ;
  • la cartographie des pratiques agricoles et des systèmes de culture, pour la modélisation des cultures et les questions environnementales.

Chaque domaine d’application soulève un nombre de questions de recherche.

  • Cartographie du domaine cultivé, des groupes de culture (e.g., culture d’hiver ou d’été), des espèces cultivées : En raison de la variabilité des pratiques agricoles et des conditions de croissance, mais surtout en raison de calendriers culturaux synchrones, la cartographie des espèces cultivées est encore un champ de recherche en particulier dans les régions du monde où les champs sont petits et les cultures hétérogènes (cultures mixtes, hétérogénéité intra-parcellaire). De nouvelles méthodes telles que l’approche orientée-objet, ou l’utilisation de données multi-temporelle et multi-source sont explorées pour améliorer la cartographie des cultures. Enfin, l’intégration de statistiques agricoles est aussi un axe de recherche pour l’estimation des surfaces cultivées par télédétection.
  • Le suivi des cultures : aux échelles régionales et globales, le suivi des cultures est essentiellement  basé sur l’analyse de séries temporelles de l’indice de végétation normalisé (NDVI) qui permet de détecter des anomalies de croissance. Actuellement, le projet GEOGLAM fournit des cartes plus informatives avec des cartes sur la phénologie des cultures, les conditions de croissance par région et les facteurs climatiques associés pour les quatre principales cultures commerciales mondiales (blé, maïs, riz et le soja). Cependant, il est attendu un effort important de recherche pour le suivi de culture dans les pays à risque.
  • Estimation des rendements : A ce jour, il n’existe pas de système d’estimation de rendement opérationnel par télédétection appliqué à fine échelle. A l’échelle européenne, il y a des approches développées dans le centre européen d’ISPRA qui permettent de gérer les stocks des grandes cultures par des prévisions faites à larges échelles en utilisant des données de télédétection basse résolution et des modèles de cultures (voir pour plus de détail http://mars.jrc.ec.europa.eu/mars/About-us/AGRI4CAST ou encore https://ec.europa.eu/jrc/en/research-topic/crop-yield-forecasting). A l’échelle régionale, il y a  un  manque qui est largement expliqué par le déficit de séries temporelles d’images à résolution décamétrique. Différentes pistes de recherche seront à revoir à la lumière des futures données Sentinel-2, telles que l’utilisation de relations empiriques avec des données de terrain ou des données statistiques, le modèle simplifié de Monteith, ou le couplage avec des modèles de plante.
  • Estimation des variables bio-physiques de surface : e.g. LAI (Leaf Area Index, NPP (Net Primary Production, fAPAR ( fraction de rayonnement solaire absorbée par les plantes), contenu en Azote, contenu en chlorophylle et en eau des plantes.  
  • Estimation de variables environnementales : e.g. type de sol, humidité du sol …
  • Systèmes de culture et de pratiques agricoles : la cartographie par télédétection de l’organisation des parcelles dans l’espace (taille des parcelles et diversité des espèces cultivées) et les pratiques agricoles (e.g., détermination de la date de semis, des principaux apports en fertilisants ou en eau, et du nombre de cycles culturaux par an,) sont des champs de recherche en développement

Contacts

Agnès Bégué
Cirad
@A.Begue

Dominique Courault
Inra | Emmah
@D.Courault

Applications

  • TOSCA Systcult (V. Lebourgeois, CIRAD TETIS)
    L’objectif de ce projet est de préparer la future mission satellitaire SENTINEL-2 en développant des produits cartographiques pour les systèmes de sécurité alimentaire dans les pays à risque. Ce travail s’appuie sur des missions satellitaires existantes (SPOT & PLEIADES) et propose d’explorer de nouvelles pistes méthodologiques en traitement et analyse de données de télédétection multi-sources permettant (i) la cartographie de différents systèmes de cultures, et (ii) une meilleure estimation de la production agricole. Il est réalisé sur une zone d’étude située dans les Hautes Terres malgaches, près d’Antsirabé.
  • TOSCA DynAfrique (A. Bégué, CIRAD TETIS)
    L’objectif de ce travail est (i) de caractériser par télédétection la dynamique de la production agricole en Afrique de l’Ouest par l’analyse des bassins d’iso-tendance d’indices de végétation (NDVI) et les statistiques agricoles nationales, et (ii) de donner des pistes d’explication de cette dynamique par l’analyse des variations climatiques, des changements d’occupation du sol et des pratiques agricoles.
  • TOSCA TRECS (V. Soti, CIRAD AIDA)
  • TOSCA CALVADOVS : Centre d’ALgorithmie et de Validation pour les Données VENμS et Sentinelle 2. (Hagolle O, CESBIO, co-proposants : CNRM Toulouse, UMR EMMAH Avignon) 2014-2015. Les objectifs sont de rendre certaines méthodes (de correction atmosphériques et détection des nuages, de classification d’occupation des sols, d’estimation des besoins en eau et de rendements) plus opérationnelles en se basant sur : – des codes informatiques testés, validés et documentés, – de rendre ces outils disponibles en open source, pour la communauté scientifique, – de tester l’applicabilité et la robustesse de ces méthodes sur différents sites  – et de définir et normaliser les protocoles de mesure et de validation
  • TOSCA  EVA2-IRT : EVAluation des produits EVApotranspiration issus de l’Infra Rouge Thermique (Boulet G, CESBIO Toulouse, Olioso A, UMR EMMAH Avignon, JP Lagouarde, ISPA Bordeaux) Projet qui s’inscrit dans le cadre de la préparation d’une future mission spatiale dans l’infrarouge thermique (IRT) à la suite du projet MISTIGRI, et de la validation des produits EvapoTranspiration Réelle (ETR) issus des données IRT à Haute (HR : MISTIGRI, ASTER, Landsat…) et Basse (BR : Sentinelle 3, MODIS, MSG…) Résolutions
  • FP7 SIGMA (A. Bégué, CIRAD TETIS)
    Le projet européen SIGMA (Stimulating Innovation for Global Monitoring of Agriculture ; http://www.geoglam-sigma.info) est un projet de recherche en appui à GEOGLAM (GEO GLobal Agriculture Monitoring). La participation du CIRAD dans ce projet porte sur l’utilisation des données de télédétection pour cartographier les systèmes agricoles à l’échelle régionale, et pour spatialiser le modèle de culture de céréales pluviales SARRA-H en Afrique de l’Ouest.
  • FP7 SIRRMED 2011-2014 (http://www.sirrimed.org) projet qui visait à développer des méthodes pour mieux gérer l’irrigation à l’échelle régionale sur le pourtour méditerranéen Participation UMR EMMAH INRA Avignon A Olioso coordination d’un WP sur le Développement d’outils opérationnels :  – BV-net :pour estimer les variables biophysiques (LAI, fAPAR, fCover à partir de réseaux de neurones et de modèles radiatifs, et EVASPA : estimation de l’évapotranspiration à partir de l’utilisation de l’infrarouge thermique.
  • Agroforesterie (C. Lelong, CIRAD TETIS)
  • JECAM (CIRAD)Le CIRAD participe au réseau JECAM (http://www.jecam.org/) de sites de référence pour le développement de méthodes pour des applications dans le milieu de l’agriculture. Le CIRAD est porteur ou participe à 6 sites : Burkina-Faso (céréales pluviales), Madagascar (riziculture d’altitude), Kenya (agroforesterie), Sénégal (céréales sèches), Brésil Sao-Paulo (Eucalyptus), Brésil-Tocantins (intégration élevage-agriculture-forêt). Le site JECAM de Madagascar (région d’Antisirabé) a été sélectionné comme site test du projet ESA Sentinel2-Agri.
  • Projets « AïCHA » : Adaptation de l’agriculture irriguée au changement climatique en Inde. (INRA SAS, COSTEL Rennes, UMR EMMAH Avignon, AGIR Toulouse, IISC Bangalore,  Inde, et al)(Coord: L Ruiz, Alban Thomas) 2012-2015 projet financé par le CEFIPRA 2012-2015 (coord  Sekhar Muddu, IISc Civil Engineering  Bangalore et L. Ruiz, INRA-SAS Rennes) ; projet financé par l’ INRA ACCAF 2012-2014 (coord Alban Thomas, INRA-LERNA Toulouse).  Le projet vise un modèle intégré (agronomie, hydrologie, économie) associé à des scénarios d’évolution des systèmes de culture, pour évaluer les performances de politiques de gestion de l’eau au niveau de l’exploitation agricole et d’un bassin versant d’un site expérimental en Inde. Méthodologie combinant télédétection, enquêtes de terrain et modélisation inverse afin d’inférer la distribution spatiale des paramètres biophysiques et les déterminants socio-économiques du choix des systèmes de culture. Un modèle de décision de l’agriculteur sera développé afin d’évaluer l’adaptabilité des systèmes de culture au changement climatique et à celui du contexte (voir https://inra-dam-front-resources-cdn.brainsonic.com/ressources/afile/262574-6651e-resource-poster-aicha.htmléconomique).
    Postdoc Sreelash Krishnan Kutty, (de l’IISc Bangalore, Inde) : 02/2014-01/2016 Spatial Estimates of soil hydraulic properties at a catchment scale using satellite data and inversion of a crop model » en poste actuellement à l’UMR EMMAH Avignon 
  • ANR RUEdes Sols 2015-2018 (Coord:I Cousin INRA Orléans, participants,UMR EMMAH Avignon, CESBIO , AGIR INRA Toulouse, ARVALIS , CETIOM et al)  Estimation de la réserve en eau des sols par mesures directes et inversion de modèles de cultures à l’échelle de la parcelle agricole et du territoire et utilisation de la télédétection dans les modèles de culture (assimilation de données)
  • Projet ScenaRice (financé par Agropolis) (Coord JM Barbier, UMR innovation Montpellier,et S Bocchi, UNIMIT Univ Milan,  Participants : UMR EMMAH (F Ruget, D Courault), IREA remote Sensing department Milan Italie, Africa Rice Center Bénin, CIRAD Madagascar 2012-2015 Evaluation intégrée des systèmes de production durable de riz. Exploration des futurs plausibles, probables et possibles pour les systèmes de production de riz durable. (un Wp comprend l’utilisation de modèles de cultures et de données de télédétection (M Boschetti).

Phénotypage

  • PHENOMENA (B de Solan, UMT CAPTE UMR EMMAH Avignon) 2014-2016 Ce projet a pour objectif de combiner un modèle croissance des cultures 4D avec un modèle de fonctionnement afin d’améliorer le phénotypage à haut débit du champ par le biais de capteurs de proxidétection. Ce travail s’appuiera sur deux modèles existants : le modèle de fonctionnement SIRIUS et le modèle de développement de l’architecture du blé ADEL. La mise en œuvre passera par la plateforme OpenAlea, dédiée à la modélisation structurelle et fonctionnelle des plantes.

Thèses

Thèses sur les pays à risques

Thèses sur l’estimation des rendements

Thèses sur l’agriculture de précision

Thèses sur les variables bio-physiques / phénotypage

Thèses sur les pratiques culturales / systèmes agricoles

Suivi par télédétection radar de l’irrigation sur 3 parcelles (6k, 6i, b1) du Domaine du Merle près de Salon de Provence.

Suivi par télédétection radar de l’irrigation sur 3 parcelles (6k, 6i, b1) du Domaine du Merle près de Salon de Provence. L’imagerie radar permet d’identifier les zones d’eau libre à la surface des parcelles (zones délimitées par un contour rouge sur la figure) : la parcelle 6k représente la lame d’eau en cours de progression, la parcelle b1 est entièrement submergée, sur la parcelle 6i les zones dépressionnaires recouvertes d’eau après l’irrigation sont visibles. (El Hajj et al, 2014)

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