Tesis sobre el tema "Agriculture numérique"

La durabilité de l'agriculture irriguée est menacée par une tension croissante sur la ressource en eau, dont la surexploitation conduit à une dégradation des écosystèmes, en particulier dans le bassin méditerranéen. En dépit d'investissements dans des équipements modernes coûteux, les performances des systèmes irrigués demeurent en dessous des attentes, notamment en raison d'effets induits à plus large échelle. Les technologies numériques de l'information offrent de nouvelles opportunités pour mieux comprendre et mieux gérer la ressource en eau, mais elles restent peu accessibles et peu adaptées aux contextes agraires, en particulier pour les systèmes irrigués gravitaires et dans le Sud global. Dès lors, dans quelle mesure le développement participatif de technologies numériques pour l'information peut-il aboutir à de nouveaux outils utiles et accessibles pour améliorer les performances des systèmes irrigués et contribuer à une meilleure durabilité des territoires ? Les résultats de nos travaux de thèse montrent que l'innovation numérique pour la gestion de l'irrigation n'a pas nécessairement besoin d'être complexe, onéreuse et intensive en énergie. Nous avons développé de nouveaux systèmes de mesure en temps réel et d'automatisation simples, open source, auto-constructibles et à bas coût pour accompagner la gestion de l'eau avec des agriculteurs pratiquant l'irrigation gravitaire en France et l'irrigation localisée en Tunisie. Nous avons proposé une méthode de modélisation multi-critère et multi-échelle pour simuler les effets de l'adoption de ces nouveaux outils sur les performances des systèmes irrigués. Nos résultats mettent en perspective les bénéfices des changements de pratiques liés à l'adoption des innovations, et illustrent les compromis émergeant à plus large échelle. Nous estimons que ces travaux contribueront à la démocratisation des low-tech numériques pour des systèmes irrigués plus autonomes et plus économes. Les outils et méthodes proposés sont hautement reproductibles et ouvrent la voie à de futures recherches pour la compréhension et la gestion des flux d'eau dans des contextes agro-hydrologiques variés
The sustainability of irrigated agriculture is threatened by growing pressure on water resources, whose over-exploitation is leading to the degradation of ecosystems, especially in the Mediterranean basin. Despite investment in costly modern equipment, the performance of irrigation systems remains below expectations, notably due to induced effects on a wider scale. Digital information technologies offer new opportunities for better understanding and management of water resources, but they remain relatively inaccessible and poorly adapted to agrarian contexts, particularly for surface irrigation systems and in the global South. Therefore, to what extent can the participatory design of digital information technologies result in new tools that are useful and accessible to improve the performance of irrigation systems and contribute to greater territorial sustainability? The results of our PhD thesis show that digital innovation for irrigation management does not necessarily have to be complex, expensive and energy-intensive. We developed new simple, open source, do-it-yourself and low-cost measurement and automation systems to support real-time water management with farmers practising surface irrigation in France and drip irrigation in Tunisia. We proposed a multi-criteria and multi-scale modeling method to simulate the effects of the adoption of such new tools on the performance of irrigation systems. Our results put into perspective the benefits of changes in practices resulting from the adoption of innovations, and illustrate the trade-offs emerging on a larger scale. We believe that this work will contribute to the democratisation of digital low-tech for more autonomous, energy and water-saving irrigation systems. The designed tools and methods are highly reproducible and open the way to future research on the understanding and management of water flows in various agro-hydrological contexts

L'agriculture 4.0 se développe actuellement rapidement en termes de recherche, de développement et d'applications commerciales. L'objectif de l'agriculture 4.0 est d'utiliser la technologie pour améliorer tous les domaines de l'agriculture. L'agriculture 4.0 est tellement vaste que si l'on veut y contribuer, il faut choisir un domaine spécifique. Le domaine choisi pour l'étude de ce doctorat est la production de fibres de lin. Les fibres de lin sont des fibres naturellement solides qui peuvent être extraites des tiges de lin. Les tiges de lin ont évolué pour avoir des fibres robustes d'un diamètre de l'ordre du micromètre qui courent le long de l'extérieur de la tige et sont maintenues en place dans le tissu externe de la tige. Une fois extraites et isolées, les fibres de lin ont de nombreuses applications, allant des textiles aux matériaux composites. Afin de faciliter l'extraction mécanique des fibres de lin de leurs tiges mères, les tiges subissent un processus connu sous le nom de « rouissage ». Le rouissage entraîne la décomposition du tissu externe (appelé lamelle moyenne) entre les fibres. Une forme courante de rouissage est connue sous le nom de « rouissage de rosée ». Dans le rouissage de la rosée, des processus naturels tels que les bactéries et les champignons produisent des enzymes qui décomposent la lamelle centrale et séparent progressivement les grappes de fibres et les fibres des grappes. La durée du rouissage dépend fortement des conditions météorologiques. Un rouissage insuffisant entraîne une extraction difficile des fibres dans l'usine, tandis qu'un rouissage excessif peut compromettre la qualité des fibres. On sait depuis longtemps qu'il existe un point de rouissage optimal - même les anciens le savaient. Certains agriculteurs artisans qualifiés sont capables de juger ce point par une combinaison de manipulation manuelle des tiges, d'observation des dommages causés aux tissus externes par cette manœuvre, et aussi d'observation de la couleur et de l'odeur des tiges au cours de ce test très habile, mais artisanal. Il est clair que l'artisan effectue des tests de laboratoire rudimentaires littéralement « sur le terrain ». Il semblerait donc logique d'essayer de quantifier ces tests et de voir si un outil fiable peut être mis au point pour aider l'artisan. Et c'est exactement ce que d'autres ont tenté de faire. L'introduction de la thèse donne des exemples de tentatives de fabrication d'outils de rouissage optimal dans les années 1980 et suivantes. Inspirés par ces premiers travaux, les travaux de cette thèse tentent une caractérisation mécanique multi-échelle complète des tiges et des fibres de lin pendant un cycle de rouissage (été 2022) et, de manière quelque peu ambitieuse, réalisée en temps réel - à notre connaissance pour la première fois. La caractérisation mécanique comprend des essais mécaniques macroscopiques (flexion, écrasement et torsion de la tige), ainsi que des essais mécaniques microscopiques inédits sur des fibres de lin individuelles à l'aide de nouvelles méthodes inspirées des MEMS. En outre, les propriétés mécaniques nanoscopiques de la paroi cellulaire primaire des fibres de lin en cours de rouissage ont été caractérisées à l'aide de l'AFM par nanoindentation. Au fur et à mesure que le travail expérimental, l'analyse via la modélisation analytique et l'interprétation descendent en échelle, de la macro au nano en passant par le micro, nous en apprenons un peu plus sur la manière dont le rouissage affecte les tiges, leurs propriétés et leurs fibres. En plus de l'apprentissage, un résultat très positif du doctorat est que l'on est capable de suggérer un mécanisme de dommage induit mécaniquement dans les tiges, qui pourrait être la base d'un outil. On peut cependant noter que la nature multiparamétrique incontrôlable du sujet, par exemple le temps, signifie que plusieurs études seraient nécessaires pour confirmer sans aucun doute les observations d'un seul cycle de rouissage
Agriculture 4.0, also known under several aliases such as ‘digital agriculture', ‘smart farming', and ‘e-farming' is currently developing rapidly in terms of research, development, and commercial applications. As with Agriculture 1.0, 2.0, and 3.0, the objective of Agriculture 4.0 is the use of technology to improve all areas of agriculture. In Agriculture 4.0 it is the application of microelectronics and microtechnologies. Unlike before, these technologies bring things such as the internet-of-things, big data, telecommunications, novel sensing, rapid feedback, data analysis, connectivity, artificial intelligence etc. In principle, all these areas should result in a massive modernization of farming in terms of organisation, yield, efficiency, and quality of produce. However, Agriculture 4.0 is so vast that if one is to contribute to it, even in a minor way, one has to choose a specific area to contribute. The area chosen for the study in this PhD was flax fibre production. Flax fibres are naturally strong fibres which can be extracted from flax stems. The flax stems have evolved to have robust micrometre-diameter fibres running the length of the outside of the stem, and held in place in the external tissue of the stem. Once extracted and isolated, flax fibres have numerous applications ranging from textiles to composite materials. In order to facilitate the mechanical extraction of flax fibres from their parent stems, the stems undergo a process known as ‘retting'. Retting leads to the breakdown of the external tissue between the fibres. A common form of retting is known as ‘dew retting'. In dew retting, natural processes such as bacteria and fungi result in enzymes which break down the middle lamella and gradually separate fibre bunches and fibres from bunches. The length of dew retting depends heavily on the weather. Too little retting results in difficult fibre extraction in the factory, too much retting can result in a compromise in fibre quality. It has long been known that there is an optimum retting point-even the ancients knew this. Certain skilled artisan farmers are able to judge this point via a combination of manual manipulation of the stems, observation of damage caused to the external tissue via this manoeuvre, and also observing the colour and the smell of the stems during this very skilled, but artisanal, testing. It is clear that the artisan is performing rudimentary laboratory tests quite literally ‘in-the-field'. It would seem logical therefore to try to quantify such tests and see if a reliable tool can be made to help the artisan. And indeed, this is exactly what others have attempted. The introduction of the PhD gives examples of attempts to make optimal-retting tools in the 1980s and after. Inspired by this early work, the work of this PhD attempts a full multiscale mechanical characterization of flax stems and fibres during a retting cycle (summer 2022) and, somewhat ambitiously, performed in real time-to our knowledge for the first time. The mechanical characterization involved macroscopic mechanical tests (bending, crushing, and twisting), as well as novel microscopic mechanical testing of single flax fibres using novel methods inspired by MEMS. In addition, the nanoscopic mechanical properties of the primary cell wall of retting flax fibres was characterised using nanoindentation AFM. As the experimental work, analysis via analytical modelling, and interpretation descends in scale from macro, through micro, to nano, we learn a little more of how the retting affects the stems, their properties, and their fibres. In addition to simply learning, a very positive outcome of the PhD is that one is able to suggest a mechanically-induced damage mechanism in stems which could be the basis for a tool. One can note however, that the uncontrollable multiparameter nature of the subject, e.g. the weather, means that several studies would be needed to confirm beyond doubt observations from a single retting cycle

Le travail présenté dans cette thèse a été motivé par un problème de contrôle qualité dans l'agriculture. Si la technique de la vision artificielle commence a être relativement bien maîtrisée pour le contrôle d'aspect en production industrielle, on peut remarquer que peu de réalisations sont actuellement opérationnelles en production agricole. Sur le plan technique, la grande diversité des produits végétaux entre espèces et variétés constitue un facteur peu favorable à l'automatisation des tâches d'inspection. Cependant, dans le secteur de l'horticulture, l'extrême rationalisation du processus de production des plants, leur dispositions en lignes et rangées espacées a permis de proposer une approche nouvelle en contrôle de la qualité. C'est dans le cadre de cette automatisation que se situent les travaux présentés dans ce mémoire
Les principales difficultés pour extraire des images l'information utile ont été rencontrées au niveau de la segmentation des images, ce qui explique que les principaux apports méthodologiques de ce travail se situent au niveau des premiers traitements réalisés sur l'image. Nous proposons une technique de transformation non linéaire de l'histogramme des niveaux de gris qui permet d'optimiser la recherche automatique d'un seuil et ainsi fiabiliser les procédures classiques de segmentation par seuillage d'histogramme. D'autre part, les propriétés de luminance des points ne permettant pas toujours, à elles seules, de trouver un seuil approprié, nous proposons une nouvelle approche de la segmentation pour laquelle les propriétés de connexité et de luminance des points sont prises en compte conjointement pour segmenter de manière automatique l'image en autant de régions que nécessaire. Ce travail de recherche a finalement abouti par la réalisation d'une machine prototype qui intègre un système de vision artificielle pour l'examen du degré de croissance et de conformité des produits avant leur expédition chez les clients

Dans une étude statistique de la production agricole grecque durant la période 1970-1981, on fait une correspondance ternaire entre trois ensembles de données: les 53 départements grecs, 56 productions différentes et l'ensemble des dix années. Il ressort que l'agriculture grecque a un caractère traditionnel ou le facteur temps n'a pas d'influence significative. On peut distinguer deux zones agraires: productions subméditerranéennes au nord, produits typiquement méditerranéens au sud et dans les iles.

Face à l’explosion démographique des pays à faible revenu en Afrique sub-saharienne, l’agriculture joue un rôle primordial pour garantir la sécurité alimentaire. Le secteur agricole est de plus la principale source d'emploi dans cette région. Les femmes constituent la principale main-d'œuvre agricole de ces pays. En raison de leur rôle clé dans le secteur agricole, les agricultrices sont prioritaires dans les interventions politiques. Par ailleurs, dans ces pays, le conseil agricole et le partage des connaissances sont nécessaires pour s’adapter à de nouvelles contraintes. Depuis quelques années, les technologies de l’information et de la communication (TIC) ont permis le développement de nouveaux outils visant à améliorer la portée et l’efficacité du conseil. Les gouvernements de ces pays sont cependant confrontés à des critiques concernant l'impact de ces outils, qui peuvent également contribuer à une fracture numérique touchant plus particulièrement les femmes qui travaillent dans les exploitations agricoles familiales.La thèse de doctorat analyse comment les outils TIC tiennent compte des rapports de genre, et de la situation des femmes qui travaillent sur l’exploitation agricole familiale. La thèse est fondée sur le cas du Kenya. Elle est focalisée sur le développement des plateformes de connaissances, un instrument TIC utilisé par le Gouvernement kenyan pour atteindre les objectifs de politiques publiques. Ce pays est emblématique car il fait l'hypothèse que les plateformes peuvent être inclusives des agricultrices.Pour cette recherche, le travail s'appuie sur trois approches d’économie institutionnelle : l’économie féministe, la théorie de la régulation, et l'économie des services. Il présente un cadre méthodologique et conceptuel, développé pour analyser l'intégration des rapports de genre dans les plateformes aux échelles macro, méso et micro.Les résultats montrent que les rapports de genre sont présentés associés à un objectif d'équité pour le Gouvernement Kenyan. L'analyse confirme que les plateformes sont considérées comme de nouveaux outils d'inclusion du système de vulgarisation du gouvernement. La typologie de plateformes développée dans ce travail montre cependant que ces instruments peuvent être une source d'inégalité. Il s'agit en particulier de l'inégalité d'accès pour les agricultrices et de services standardisés qui ne correspondent pas aux attentes de ces femmes. La conjugaison de différentes approches économiques institutionnelles a permis d'analyser comment les évolutions institutionnelles affectent l'inclusion des objectifs d’égalité des sexes dans l’intervention publique et dans le fonctionnement effectif des plateformes. Les résultats présentent des leviers d’action pouvant être pris en considération par les politiques et les concepteurs des plateformes, pour une tenir compte des rapports de genre dans ce système de vulgarisation agricole et éviter d’engendrer de nouvelles discrimination. L'analyse révèle l'importance de disposer d'un espace d'intervention publique et de coordination dans ce nouveau système de conseil agricole basé sur les TICs
Low-income sub-Saharan African countries are confronted with demographic explosion since the last 60 years. Consequently, agriculture plays a key role in ensuring food security. The agricultural sector is also the main source of employment in this region. Women are the major contributing labour force in agriculture in these sub-Saharan African countries. Connected to their key role in the agricultural sector, women farmers are prioritised in policy intervention. Moreover, agricultural extension services are necessary to adapt to different constraints in these countries. Transfer of knowledge is also required to guarantee farm yields and consequently improve small-scale farmers’ livelihoods. Lately, information and communication technologies (ICTs) have enabled the development of new tools, aimed at improving the scope and the effectiveness of advisory services. Policy makers in sub-Saharan African countries are nonetheless confronted with critical questions regarding the impact of these tools, which can also contribute to a ‘digital gender gap’. These issues particularly concern women farmers.This PhD research analyses how ICT tools take into account gender relations, and the situation of women farmers. The thesis is based on the case of Kenya. The dissertation particularly focuses on the development of knowledge-based platforms in agriculture, an ICT policy instrument used by the Kenyan Government to achieve public policy objectives. This country is emblematic because it believes in the assumption that platforms can be inclusive of women farmers’. To answer to this research question, the work is based on three different institutional economic research approaches: feminist economics, the French regulation theory, and economics of services. A conceptual and methodological framework is presented to analyse the inclusion of gender equality in knowledge-based platforms at macro-, meso-, and micro- level.The results provide evidence that gender equality objectives is a fundamental guiding principle to the Government of Kenya. The analysis show that platforms are considered as new tools of inclusiveness in farm advisory services innovation. Observations from a developed platform typology framework show however that platforms can be source of gender inequality. It especially concerns women farmers unequal access to these instruments and the standardised services that they offer. This is essentially related to the institutional nature of the platform. Indeed, as it turns out, a high number of these instruments are based upon complex partnerships, and financed by multi-national corporations and/or foundations from the agrifood industry based in the Northern hemisphere. Combining institutional economic approaches allowed to bring out critical points of inclusion to be considered by policy makers and platform developers. Disregarding these specificities may make these platforms into new vectors of exclusion. Recognising and taking into account the conditions for inclusion can bring to light powerful levers for improving the efficiency of platforms

La détection des adventices (mauvaises herbes) est un des enjeux clefs d'une agriculture propre et productive. Nous proposons dans ce mémoire une nouvelle méthode de détection basée sur des images aériennes acquises à l'aide d'un avion radiocommandé. Nous utilisons un capteur d'images multispectrales basé sur une caméra CCD et une roue de filtres. Ce capteur est suffisamment compact pour être embarqué dans un avion radiocommandé. Des images aériennes sont ainsi obtenues pour un coût trés bas. Un recalage géométrique des images est effectué afin de pouvoir utiliser les informations spectrométriques. Les informations spectrales obtenues sont ensuite utilisées pour créer trois classes dans ces images : le sol, les cultures et les adventices. La classification est décomposée en deux étapes. Dans un premier temps, un algorithme non supervisé permet de séparer la végétation du sol. Puis, des algorithmes supervisés sont mis en oeuvre pour séparer les cultures des adventices. Nous proposons une comparaison de différents algorithmes entre eux. Une méthode de détection des lignes de semis basée sur le filtre de Gabor est ensuite présentée. Cette information permet de séparer les cultures des adventices indépendamment de leurs caractéristiquesspectrales. Une méthode originale d'accélération des temps de calcul basée sur les paquets d'ondelettes est exposée. Les deux approches ayant des sources d'erreur différentes, nous proposons de les fusionner à l'aide d'une approximation de la théorie bayesienne. Enfin, un algorithme de croissance de région permet de lever les dernières incertitudes. La méthode est testée sur des parcelles d'essais
Weed detection is one of the most important issues for a non-polluting and productive agriculture. In this PhD we present a new method based on aerial images acquired with a remote controlled aircraft. We use a multispectral image sensor based on a CCD camera and a wheel of filters. This sensor is compact enough to be shipped in a remote controlled aircraft. An image mosaicing is done in order to be able to use spectrometric information. Later, spectral information is used to establish three classes : soil, crops and weeds. Classification is split in two steps. First, a non-supervised algorithm allows the separation between soil and plants. Second, supervised methods are used to distinguish crops and weeds. These various algorithms are compared to each other. A crop row detection method based on Gabor filter is developed. This information allows weeds/crop separation regardless of their spectral characteristics. An original method for computing time acceleration based on wavelet packets is detailed. These two methods having different error sources, we suggest to merge them using a Bayesian approach. Finally, a region growing algorithm achieves the classification. Experimental results obtained in test fields are provided to assess the quality of the classification

Les nouvelles réglementations concernant les usages de produits phytosanitaires en agriculture ont conduit à la mise au point de méthodes d'identification de plantes (culture et adventices) par une gestion des adventices par imagerie. Afin de disposer d'un outil performant permettant l'évaluation de ces méthodes d’identification reposant sur une analyse spatiale de la scène photographiée, un modèle de simulation de scènes agronomiques a été mis au point. Prenant en considération les caractéristiques agronomiques d'une parcelle, ce modèle permet de simuler une vérité terrain dont les paramètres sont contrôlés. La scène agronomique ainsi créée subit ensuite une transformation projective afin de simuler la prise de photographie. Ce modèle a ensuite été validé à l'aide de comparaison statistique avec des données réelles. De nouveaux algorithmes spatiaux basés sur la Transformée de Hough et utilisant l'alignement en rang de la culture ont été développés. Trois méthodes basées sur une analyse en composante connexe, une estimation de contours et une méthode probabiliste ont été mises en oeuvre et évaluées à l'aide du modèle. Les résultats obtenus sont très bons avec une classification correcte culture/adventices supérieure à 90% et pouvant atteindre 98%. Enfin, pour ce modèle, une approche spectrale a été explorée afin de dépasser les limitations des méthodes spatiales. Une extension 3D a été apportée à ce modèle afin de permettre la simulation de la réflectance bidirectionnelle (BRDF) des plantes et du sol. La transformation d'une information spectrale en une information RGB, la prise en compte de filtres optiques ou la création de données multispectrales sont discutées
Plant (crop and weed) identification is a very active field of research in agriculture since the reinforcement of European laws about pesticide applications for a site-specific management of spraying practices. A new crop/weed simulation model was developed to allow the evaluation of crop/weed spatial identification methods from imaging. Considering multiples agronomic parameters – crop location, weed infestation rate, weed spatial distribution – the first step of this model allows the simulation of an infested crop field. Then, in a second step, a world to camera transformation is applied to allow every kind of picture (with or without perspective effect). The validation of this model was performed using statistical tests comparing a real image to its homologous virtual one. New crop/weed discrimination algorithms based on the Hough Transform to detect crop rows were also developed. Three methods, using the crop row information and based on a blob-coloring, an edge estimation or a probabilistic classification were exhaustively tested using this model. Results show very good performance of these methods with correct average classification rate of 90% and up to 98% under special conditions. A spectral approach was also explored for the model in order to overcome the limitations imposed by spatial algorithms. Crop and weed plant patterns are now in 3D to allow the calculation of the bidirectional reflectance (BRDF) of plants and soil based on PROSPECT and SOILSPECT models. We also discussed the transformation of a reflectance spectrum into a RGB color, the simulation of optical filter effects and the creation of multispectral images

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre du développement des mannequins numériques pourl'évaluation ergonomique de la conception de véhicule, plus particulièrement des commandesautomobiles. Il vise à développer des modèles biomécaniques permettant la prise en comptede la dynamique du mouvement et de la force exercée lors d'une tâche pour prédire lemouvement et l'inconfort associé. Ce travail s'est focalisé sur la pédale d'embrayage.Concernant le développement des critères d'inconfort, le concept du mouvement neutre estexploré. Une méthode, basée sur la comparaison entre des mouvements avec desconfigurations imposées et ceux moins contraintes, est proposée. Elle a permis l'identificationde paramètres biomécaniques pertinents et de proposer des indicateurs d'inconfort pour laconception de la pédale d'embrayage.Les relations entre la posture et la force d'appui ont été étudiées expérimentalement en faisantvarier le niveau d'effort exercé sur une pédale statique. Nos résultats montrent que la directiond'effort et l'ajustement postural suivent le principe de minimisation des couples articulaires.Par ailleurs l'utilisation d'un critère de minimisation de l'activité musculaire a montré uneamélioration de la prédiction de la direction d'effort pour les efforts peu élevés.Les indicateurs d'inconfort proposés dans cette étude fournissent des informations objectivespermettant aux ingénieurs de conception de comparer des solutions alternatives de design. Letravail sur les mécanismes de contrôle de l'effort et de la posture constitue, quant à lui, unepremière étape dans l'optique de prendre en compte la force exercée dans la simulation deposture.

Avec les lois sur l'eau de 1964 et 1992, la France s'est dotée d'une gestion intégrée et décentralisée de la ressource en eau, organisée autour de six bassins hydrographiques. Sans remettre en cause les fondements de cette organisation, la Directive Cadre sur l'Eau (DCE), adoptée le 22 décembre 2000, renforce cette gestion en fixant des objectifs environnementaux planifiés, en l'organisant au sein de sous entités hydrographiques, les masses d'eau, et en prônant l'utilisation de l'analyse économique. Dès 2009, les Agences de l'Eau doivent définir un plan de gestion fixant les objectifs à atteindre en 2015, première échéance de la DCE, et un programme de mesures nécessaires à leur réalisation. Parmi les objectifs de reconquête de la qualité des eaux, la réduction des contaminations nitriques des ressources en eau souterraine du bassin de la Seine constitue un des grands enjeux auxquels doivent faire face les gestionnaires. La principale source de cette contamination est une pollution diffuse d'origine agricole étendue à l'ensemble du bassin. Depuis plusieurs années, des efforts ont déjà été initiés en instaurant la mise en place de mesures agro-environnementales. Mais en raison de l'efficacité partielle de ce type de mesure et des temps de réponse souvent longs des aquifères, on est en droit de se demander si ce type de mesures suffira à remplir l'objectif de bon état chimique des eaux souterraines à l'horizon 2015. La première étape de notre travail a donc consisté en une exploitation prospective du modèle agro-hydrologique MODSUR-STICS-NEWSAM, développé dans le cadre du programme PIREN-Seine pour simuler l'impact des pollutions diffuses azotées d'origine agricole sur les trois principaux aquifères du bassin de la Seine. Sur la base d'un recensement des pratiques agricoles observées à l'échelle de grandes régions agricoles sur la période 1992-1998, deux scénarios ont été élaborés: continuité de ces pratiques en "laisser-faire" et application de mesures agro-environnementales. L'évolution de la médiane de la distribution des concentrations mesurées en nitrates, indice statistique caractérisant chaque aquifère, permet d'estimer l'impact des mesures à diverses échéances. Par confrontation entre données simulées avec données observées sur une période de 30 ans, le risque de dépassement d'une valeur seuil est évalué pour chaque cellule du modèle et agrégé à l'échelle des masses d'eau souterraines du bassin. Chaque masse d'eau peut alors être caractérisée par sa probabilité de franchissement des seuils de concentration de 25, 40, 50 et 100 mgNO3/l. La seconde partie de ce mémoire a pour objectif de mettre en œuvre l'exploitation socio-économique des résultats du modèle en déterminant les coûts et les bénéfices attendus des mesures agricoles préventives. Les surcoûts supportés par les agriculteurs tiennent compte des variations de rendements simulés par STICS et des coûts imputables à la mise en place des mesures. L'évaluation des bénéfices se limite à l'estimation des dommages évités pour la production domestique d'eau potable depuis les ressources en eau souterraine. Deux méthodes ont été employées. La première est basée sur l'approche de R.L. Raucher appliquée à l'ensemble du bassin en supposant qu'un traitement curatif systématique des eaux brutes est mis en œuvre dès que la probabilité de dépassement du seuil de 50 mgNO3/l devient trop grande. La seconde approche simule à l'aide s'un système multi-agents (SMA), le comportement des unités de gestion et d'exploitation (UGE) face à une pollution avérée de leur ressource. Ce modèle, baptisé WATER-RUSH, est appliqué sur plusieurs décennies au territoire de trois masses d'eau du bassin de la Seine couvrant 612 UGE, soit 1 027 communes. Cet outil permet de tester les différentes solutions pouvant être adoptées par les UGE suivant un critère de moindre coût et la prise en compte des conditions locales d'exploitation: mélange au sein du réseau, approfondissement des captages, traitement des eaux brutes, abandon et recherche de nouvelle ressource intra ou extra UGE. Sur cette base, le surcoût de chaque solution est calculé annuellement sur toute la période simulée et rapporté au mètre cube produit.

Les voies sèches de valorisation du bois énergie sont de plus en plus exigeantes vis-à-vis de la qualité de la matière première et notamment quant à sa teneur en eau. Ainsi, une étape intermédiaire de préconditionnement, sur site industriel, tend à se développer. La mise en œuvre de séchoirs en continu est alors séduisante de par son faible coût et sa parfaite intégration dans la ligne de production. Cependant, elle n'est pas sans écueil : la variabilité de la biomasse et l'hétérogénéité des conditions climatiques au sein du séchoir rendent fastidieux le dimensionnement du séchoir et de la source de chaleur associée d'une part et la maximisation du flux matière d'autre part.Notre étude a pour ambition de développer un outil informatique d'aide à la conception et à l'optimisation de séchoirs en continu traversés par un lit condensé de particules de bois. Pour y parvenir, nous associons une approche expérimentale et une approche numérique du procédé. La démarche scientifique s'articule autour de deux échelles représentatives :- A l'échelle de la particule de bois, le modèle de Van Meel, reposant sur le concept de courbe caractéristique de séchage, est étendu : le couplage entre transferts de chaleur et de masse est rendu explicite. Nous disposons dès lors d'un modèle réactif et prédictif en conditions climatiques variables. Parallèlement, un premier dispositif expérimental original est conçu et construit pour l'étude du séchage de particules de bois isolées. Les données recueillies sont alors analysées en vue d'alimenter en paramètres et de valider le modèle semi-analytique ;- A l'échelle du séchoir, une modélisation double-échelle est adoptée pour tenir compte de l'évolution des conditions climatiques. Un soin particulier est apporté à la modélisation, se voulant être la plus proche possible des installations existantes : à ce titre, les transferts au niveau de la paroi du séchoir sont pris en compte, ainsi que la variabilité des particules de bois. Parallèlement, un second dispositif expérimental original est conçu et construit pour l'étude du séchage de particules disposées en lit. Les données recueillies sont alors confrontées aux simulations du modèle double-échelle.La validation du modèle s'étant révélée probante tant à l'échelle de la particule qu'à celle du séchoir, une utilisation du code pour l'aide à la conception et à l'optimisation d'installations industrielles a pu être envisagée. Ainsi, ce travail s'achève-t-il par deux études de cas à travers lesquelles nous explorons le potentiel du modèle pour maximiser le flux matière tout en garantissant la qualité du produit et l'efficacité énergétique du séchoir.

L'agriculture est l'activité humaine qui utilise et transforme la plus grande partie de la surface terrestre. Son intensification et son uniformisation ont engendré plusieurs problèmes écologiques et environnementaux. Comprendre les dynamiques passées et actuelles des territoires agricoles à des échelles régionales, compatibles avec les échelles où s'expriment les services environnementaux et écologiques, est nécessaire pour mieux gérer l'évolution future des territoires agricoles. Pourtant, la plupart des travaux qui ont étudié les dynamiques agricoles à des échelles régionales ne distinguent pas les dynamiques liées au fonctionnement régulier de l'activité agricole de celles liées à des changements dans son fonctionnement. Les autres travaux rapportés dans la littérature qui font cette distinction présentent toutefois l'inconvénient d'être difficilement reproductibles. Cette thèse vise ainsi à développer une méthode générique de modélisation des dynamiques passées et actuelles de l'organisation territoriale de l'activité agricole (OTAA). Nous avons développé une méthode de modélisation stochastique fondée sur des modèles de Markov cachés qui permet de fouiller un corpus de données spatio-temporelles d'occupations du sol (OCS) en vue de le segmenter et de révéler des dynamiques agricoles cachées. Nous avons testé cette méthode sur des corpus d'OCS issus de sources variées (relevés de terrain, télédétection) et appartenant à deux territoires agricoles de dimensions régionales : le site d'étude de Chizé (430 km², Poitou-Charentes) et le bassin versant du Yar (60 km², Bretagne). Cette méthode apporte 3 contributions à la modélisation de l'OTAA : (i) la description de l'OTAA suivant une approche temporo-spatiale qui identifie des régularités temporelles, puis les localise en segmentant le territoire agricole en zones compactes de régularités temporelles similaires; (ii) la fouille des voisinages des successions d'OCS et de leurs dynamiques; (iii) l'articulation des régularités révélées par notre approche de fouille de données à l'échelle régionale avec des règles identifiées par des experts en agronomie et en écologie à des échelles plus locales en vue d'expliquer les régularités et de valider les hypothèses des experts. Nous avons testé la généricité de la première contribution sur les deux territoires d'études. Les deux dernières contributions ont été développées et testées sur le site d'étude de Chizé. Nos résultats valident l'hypothèse que l'OTAA se prête bien à la représentation par un champs de Markov de successions. Cette thèse ouvre la voie à une nouvelle approche de modélisation de l'OTAA explorant le couplage entre régularités et règles, et exploitant davantage les outils d'intelligence artificielle. Elle constituerait les prémices de ce qui pourrait devenir une agronomie numérique des territoires.

L'intensification et l'homogénéisation des paysages agricoles a rendu les agrosystèmes plus sensibles aux bioagresseurs. Pour limiter les impacts de ces bioagresseurs sans recourir de manière intensive aux pesticides, une solution efficace est l'utilisation de variétés résistantes. La durabilité de ces résistances peut être faible, en lien avec l'adaptation des populations pathogènes. Il est donc nécessaire de concevoir des systèmes de culture permettant le contrôle des bioagresseurs et la préservation des ressources variétales. Ces stratégies de gestion peuvent reposer sur la combinaison de pratiques agricoles et d'organisation spatiale de ces pratiques, pour des pathosystèmes dont les agents sont dispersés par le vent. D'une part, la conception de ces stratégies peut bénéficier d'une approche participative, prenant en compte les conditions de culture et l'organisation des acteurs locaux. D'autre part, l'évaluation de ces stratégies, dont l'expérimentation est délicate du fait des échelles spatiale et temporelle requises, peut bénéficier d'une approche modélisatrice. Dans ce cadre, ce travail de thèse a mis au point et testé, sur deux régions d'étude, une méthode participative de construction de scénarios d'organisation spatiale des systèmes de culture, évalués vis-à-vis du contrôle du phoma du colza et de la gestion des résistances. Les scénarios co-construits explorent les futurs agricoles possibles en identifiant les tendances possibles d'évolution du contexte (économique, politique, règlementaire, épidémique), de manière prédictive ou plus exploratoire. Ils ont ensuite été évalués numériquement à l'aide d'un modèle préexistant, vis-à-vis de trois critères pertinents pour les acteurs : les pertes de rendement, la taille de la population pathogène et sa structure. Ces scénarios ont ensuite été évalués à l'aide de régressions linéaires, de manière à identifier les pratiques agricoles les plus influentes sur les trois critères d'évaluation considérés. Cette analyse a été réalisée à deux échelles spatiales complémentaires : l'échelle d'une petite région agricole et l'échelle locale, considérant plusieurs centaines de mètres autour des parcelles de colza pouvant être infectées. Ces analyses ont permis de mettre en évidence la prépondérance des rotations, des variétés et de la gestion des résidus de colza dans l'évolution de la maladie et sur la durabilité des résistances. Elles ont également montré la nécessité de prendre en compte plusieurs échelles pour la gestion de la maladie : si la taille de la population pathogène et les pertes de rendement peuvent être déterminées à partir de la composition en termes de systèmes de culture à l'échelle du paysage, une échelle plus locale est nécessaire pour évaluer l'évolution de la structure génétique de la population. Cet indicateur est en effet très lié aux variétés et aux pratiques présentes dans les 500 mètres autour des parcelles porteuses de la résistance considérée. Finalement, l'exploration de règles spatiales (isolement) et temporelles (maximisation des surfaces un an sur deux) des parcelles de colza ou des types variétaux a mis en exergue le fort potentiel de stratégies basées sur ces règles pour la gestion des résistances. La mise en place de ces stratégies nécessiterait une coordination entre les différents acteurs, à l'échelle du territoire agricole, qui pourrait s'avérer nécessaire en cas d'épidémie importante de phoma. La méthode mise en place pourrait être utilisée pour explorer la gestion d'autres thématiques à composante spatiale, comme par exemple l'érosion ou la gestion d'autres bioagresseurs. Ceci pourrait permettre une évaluation multicritère, prenant par exemple en compte les bioagresseurs de différentes cultures composant une même rotation, identifiant ainsi les pratiques les plus à mêmes de gérer simultanément les différentes thématiques locales.

Dans un contexte de planification de l’utilisation des terres à l’échelle régionale, la cartographie des systèmes agricoles - espèces cultivées et pratiques culturales - permet de suivre ce qui est produit, où et comment, et constitue donc un élément essentiel d’évaluation régionale de la production et de son impact sur l’environnement. La production d’information sur les systèmes agricoles nécessite généralement beaucoup de données et d’expertise. Cette information est donc très hétérogène en quantité et en qualité dans l'espace et le temps, la disponibilité et les mises à jour étant extrêmement variables selon les pays et les régions. La télédétection, de par sa capacité à fournir une information spatiale synoptique sur l’état et la dynamique de la végétation à partir des images satellitaires, constitue un outil précieux pour le suivi de l’agriculture. Toutefois, la conversion des images en produits cartographiques à l’échelle régionale reste encore du domaine de la recherche pour de nombreuses applications. Cette thèse propose des développements méthodologiques originaux dans une approche multiscalaire semi-automatique basée sur le traitement et l’analyse d’imagerie satellitaire optique pour la cartographie et la caractérisation des systèmes agricoles à l’échelle régionale. L’approche est composée de deux méthodes principales : (i) stratification régionale en unités de paysage et classification de ces unités pour produire une carte de systèmes d’utilisation agricole des terres ; (ii) segmentation à l’échelle de la parcelle et classification non supervisée des segments par une méthode de « landscape-clustering » pour produire une carte de systèmes de culture. Les méthodes ont été développées sur une région d’agriculture intensive, l’État brésilien du Tocantins, où le domaine cultivé, ainsi que les principaux systèmes d’utilisation agricole des terres et systèmes de culture ont été cartographiés avec succès à partir d’une série annuelle d’images NDVI-MODIS et d’une mosaïque d’images Landsat. La reproductibilité de l’approche a ensuite été évaluée au Burkina Faso, où les paysages sont façonnés par la petite agriculture familiale. Seul le domaine cultivé a pu être cartographié avec des résultats satisfaisants, mettant en évidence les limites de ces méthodes et de l’offre actuelle en imagerie satellitaire face aux spécificités contraignantes de ce type d’agriculture pour la télédétection. Les cartes résultantes ont été évaluées avec des données de vérité terrain et des statistiques agricoles, et comparées à d’autres produits cartographiques existants. Les résultats de cette thèse montrent le potentiel de la nouvelle méthode de stratification régionale en unités de paysage qui, à partir de séries temporelles de NDVI et combinée à la méthode de classification de « landscape-clustering », contribue à améliorer de façon significative la discrimination des espèces cultivées et des pratiques agricoles, et permet de représenter les systèmes agricoles à différents niveaux d’organisation spatiale. L’originalité des méthodes développées réside principalement dans la simplicité de leur mise en œuvre. Elles sont presque exclusivement basées sur des données satellitaires et nécessitent peu d’intervention « experte » et de données externes, ce qui leur confère un fort potentiel de reproductibilité. Cette thèse contribue ainsi, avec ces nouvelles méthodes, au développement d'outils génériques pour soutenir le suivi de l’agriculture à grande échelle et fournir des produits d’aide à la décision pour une planification raisonnée de l'utilisation des terres
: In a context of regional land-use planning, agricultural systems’ mapping - crop types and cropping practices – allows monitoring of what is being produced, where and how, and therefore represents a key element for regional assessment of the agricultural production and its environmental impact. The production of information on agricultural systems generally requires a lot of data and expertise. This information is thus very heterogeneous in quantity and quality in space and time, the availability and updates being extremely variable between countries and regions. Remote sensing, through its ability to retrieve synoptic spatial information on the state and dynamics of vegetation from satellite images, represents a valuable tool for agricultural monitoring. However, the conversion of images into regional-scale map products remains a field of research for many applications. This thesis presents original methodological developments in a semi-automatic multiscale approach based on the processing and analysis of optical satellite imagery for the mapping and characterization of agricultural systems at regional scale. The approach is composed of two main methods: (i) regional stratification into landscape units and classification of these units to produce a map of agricultural land-use systems; (ii) field-level segmentation and unsupervised classification of the segments by a “landscape-clustering” method to produce a cropping systems’ map. The methods were developed on a region of intensive agriculture, the Brazilian state of Tocantins, where the cultivated area, as well as the main agricultural land-use systems and cropping systems were successfully mapped from an annual NDVI-MODIS time series and a mosaic of Landsat images. The reproducibility of the approach was then assessed in Burkina Faso, where landscapes are shaped by the smallholder agriculture. Only the cultivated area could be mapped with satisfactory results, highlighting the limitations of these methods and the current offer in satellite imagery given the challenging specificities of this type of agriculture for remote sensing. The resulting maps were assessed with ground-truth data and agricultural statistics, and compared to other existing maps. The results of this thesis show the potential of the new method of regional stratification into landscape units which, based on NDVI time series and combined to the unsupervised “landscape-clustering” classification method, contributes to significantly improve discrimination of crop types and agricultural practices, and allows representing the agricultural systems at different levels of spatial organization. The originality of the developed methods lies mainly in the simplicity of their implementation. They are almost exclusively based on satellite data and require little “expert” intervention and external data, which gives them a high reproducibility potential. Thereupon, this thesis contributes, with these novel methods, to the development of generic tools to support large-scale monitoring of agriculture and to provide decision-support products for reasoned land-use planning

L'évolution historique des types et techniques de production agricole a causé celle de l'organisation paysagère, via les parcellaires notamment. Les bordures de parcelles créent des discontinuités dans les processus d'érosion-dépôt de sol. L'objectif est ici de comprendre l'effet du parcellaire et de son évolution sur la distribution actuelle des sols et la morphologie des versants. Un versant cultivé (16 ha) dans le SW du Bassin Parisien a été étudié. La distribution spatiale de figures morphologiques linéaires et de l'épaisseur des sols a été analysée. Les deux types de figures identifiés correspondent à des épaississements de sols (dépôts) induits par des bordures de parcelles, pérennes depuis plusieurs siècles pour les premières, et disparues en 1967 (remembrement) pour les secondes. Ces épaississements ont été cartographiés grâce à une analyse statistique (CART) de la morphologie du versant. L'étude de traceurs granulométriques et minéralogiques (SEDI) a permis d'identifier les processus d'érosion-dépôt impliqués. La solifluxion périglaciaire puis le ruissellement auraient affecté l'ensemble du versant avant la pérennisation d'un parcellaire. Puis, des processus hydriques et aratoires ont agi dans des unités (parcelles) fixées par des bordures : les plus pérennes (1000 ans) montrent les dépôts les plus marqués (banquettes). La distribution spatiale du 137Cs et sa conversion en taux d'érosion (modélisation numérique) ont permis d'évaluer l'implication relative des processus hydriques (15%) et aratoires (85%) depuis 1954. Le remembrement parcellaire de 1967 s'avère avoir favorisé l'érosion des sols, convertissant des zones de rétention en zones sources (ondulations).

The context of this thesis is the modelling of particle deposition in the human lung in order to optimise the administration of inhaled drugs. As the alveolar region plays a crucial role both physiologically and functionally, especially for systemic delivery, the objective of this work is to set-up a particle deposition model specific to the acinar region which could be integrated in whole lung deposition model. The first two chapters concentrate on the anatomical and functional aspects of the lung and on the physical principles involved in the flow and particle transport mechanisms in the lung. Then a computational fluid dynamics model was setup in a simplified alveolar geometry. Aerosol bolus transport was studied through an Eulerian approach, for one or several breathing cycles. The impact of flow irreversibilities on bolus dispersion was quantified. The last chapter deals with the integration of the previous results in an analytical model of particle deposition in the whole lung. The results generated by this model are then compared to experimental data from the literature or obtained from an ongoing clinical trial. The results of the new theoretical model show an increase of particle deposition in the acinar region which improves correlation of theory with experimental data. This model could favourably help designing therapies targeting the alveolar region of the lung

Pour faire face à l'augmentation des émissions de CO2 dans l'atmosphère à cause de la production électrique dans des centrales à charbon, le captage en post-combustion au moyen d'un procédé VSA est une solution envisageable. Les adsorbants utilisés dans notre étude sont la TEPA imprégnée sur SiO2, les oxydes de terre rare et le MOF (Metal Organic Frameworks) SIM-1. Pour chaque adsorbant, une étude du perçage puis de la régénération a été effectuée à partir d'une alimentation composée de 15%vol de CO2 et de N2. De ces essais, les conditions opératoires des cycles VSA ont été établies (durées des phases courtes, pas de circulation de purge). En cycle, les performances sont comparées à celle du procédé d'absorption avec la monoéthénolamine. La pureté du désorbat varie de 89,2%vol à 97,2%vol selon les adsorbants et les conditions opératoires. Elle est inférieure à celle du procédé d'absorption (99%vol) mais est correcte pour le transport et le stockage. Le taux de captage évolue de 87,2% à 94,9% (absorption : 98%). La consommation énergétique est inférieure à celle du procédé avec la MEA (de 1,53 à 3,45 MJ.kgCO2 1 pour notre procédé et 3,7 MJ.kgCO2¬1 pour l'absorption) Enfin la productivité est du même ordre de grandeur que celle d'autres procédés VSA de la littérature. Avec le modèle numérique, une étude locale de l'adsorbeur a été menée. Puis grâce à une étude paramétrique, des conditions optimales en cycle ont été déterminées. Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence des performances comparables avec les autres procédés VSA de la littérature. De plus, notre procédé est beaucoup moins énergivore que le procédé d'absorption mais la pureté du désorbat et le taux de captage en CO2 restent inférieurs.

Dans le cadre de la pulvérisation agricole, la diminution de la quantité des intrants est devenue une étape cruciale, et ce notamment en viticulture. La pulvérisation de précision en viticulture implique cependant une maitrise conjointe du matériel utilisé, des produits et de la répartition de ces produits sur le feuillage. Dans ce contexte, nombreuses sont les recherches menées sur l’optimisation d’utilisation des produits phytosanitaires, leur objectif final étant de réduire de manière significative la quantité d’intrants dans la culture. Cependant, peu de travaux ont été effectués sur l’étude du comportement des produits directement sur le feuillage, ce qui constitue donc l’objectif de cette thèse. La première partie de ce travail est consacrée particulièrement à l’analyse de l’état de la surface foliaire, en se focalisant spécifiquement sur l’étude de la rugosité de surface de la feuille qui constitue un paramètre essentiel dans le processus d’adhésion du produit pulvérisé sur la feuille. L’analyse de la surface de la feuille est réalisée en déterminant les caractéristiques texturales extraites d’images microscopiques. Un nouvel indicateur de rugosité est proposé ainsi que, des paramètres spatiaux et fréquentiels sont utilisés pour estimer et la rugosité de la feuille. Ces paramètres permettent ensuite la caractérisation de l’homogénéité de la surface et la détection des nervures/poils au niveau de la surface de la feuille. Cette partie représente une base fondamentale pour mieux comprendre le comportement des gouttelettes pulvérisées sur la feuille de vigne. La deuxième partie de ce travail de thèse est consacrée à des études expérimentales, qui ont pour but de définir et construire des modèles statistiques permettant d’estimer la quantité de produit restant sur la feuille ou la surface occupée par les gouttes. Ces modèles prennent en considération différents paramètres de pulvérisation, tels que la taille de la goutte et sa vitesse, la tension superficielle du produit, l’angle d’inclinaison et la rugosité de la surface de la feuille. Ces modèlespourraient être vus comme des outils de décision communs pour optimiser la quantité du produit pulvérisé et l’estimation du produit restant sur la feuille, et comme un outil d’aide pour optimiser les bancs d’essais et de tests de la qualité de la pulvérisation
In the context of agricultural spraying, reducing the amount of input became a crucial step particularly in viticulture. The development of spraying precision in this domain needs the mastery of the use of spray equipment, product and distribution of these products on the foliage. In this area, many research have been done, their main goal being to optimize the use of plant product protection and to reduce significantly the input quantity inside the culture. However, few research has been done on the behavior of the product directly on the foliage which constitutes finally the main goal of this thesis. The first part of this report deals particularly with the analysis of leaf surface state by focusing precisely on the leaf surface roughness, one of the main parameters in product adhesion process. A leaf surface analysis is performed by determining the textural features extracted from microscopic images. A new roughness indicator is proposed and, spatial and frequency parameters were used to estimate and characterize the leaf roughness. These parameters allow both the characterization of surface homogeneity and the detection of the presence of rib/hair on the leaf surface. Indeed, this part represents a fundamental basis for understanding the spray droplet behavior on the vine leaf. The second part of this thesis deals with experimental studies which aim to define and to create statistical models to estimate the amount of product remaining on the leaf surface or the surface occupied by droplets. These models consider different spray parameters, such as droplet size and velocity, surface tension of the product, slope angle and roughness of the leaf. These models could be seen as aid-decision tools to optimize the amount of spray and the estimated product remaining on the leaf

La compréhension du comportement musculaire est un champ d'investigation primordial dans divers domaines tels que le sport, le crash automobile et la médecine. Peu de techniques in vivo permettent aujourd'hui de caractériser les propriétés mécaniques du muscle. Aussi, l'objectif de ce travail est de développer une méthode d'identification in vivo à partir demesures de champs de déplacement. La méthode d'identification est composée de 3 étapes interdépendantes. La première consiste à réaliser une IRM de la cuisse pour segmenter manuellement différents tissus musculaires (quadriceps, ischios, gracilis et sartorius) et le tissu adipeux. Un comportement Néo-Hookéen est choisi pour modéliser le comportement hyperélastique (C10, D). Dans un second temps, un dispositif expérimental de compression est développé pour mesurer le champ de déplacement in vivo à partir des techniques d'imagerie échographique et de Corrélation d'Images Numériques. Finalement, une méthode inverse est mise en œuvre pour identifier les paramètres C10 et D de chaque tissu. Par le biais d'un exemple numérique, l'erreur sur les paramètres identifiés est évaluée. Les cartographies des champs de déplacement expérimentaux confirment les observations qualitatives obtenues sur les images échographiques et sont validées par les champs de déformation obtenus par approximation diffuse. Une faible erreur d'identification (C10<3%, D<7%) est obtenue à partir de l'exemple numérique, et les paramètres mécaniques identifiés sont en accord avec la littérature. Ces résultats valident la démarche inverse mise en œuvre qui permettra, à terme, de suivre l'évolution des pathologies et de mener des simulations prédictives.

Dans les 50 dernières années, les avancées dans le domaine de la protection des plantes ont contribué à augmenter les rendements et à assurer une large production. Facile à utiliser et plutôt bon marché à l’époque, les pesticides ont prouvé leur efficacité. Cependant, quand ils sont appliqués aux cultures, une partie du produit n’atteint pas sa cible et est perdu dans l’air ou au sol. Par conséquent, des efforts ont été consentis pour améliorer leur efficacité et leur innocuité sanitaire, souvent grâce à des lois environnementales internationales. Les produits sont appliqués à partir de matériels combinant type de buse/pression induisant des gammes de vitesses et de tailles de gouttelettes très diverses (Chapitre 2). Une mesure simultanée de ces vitesses et tailles est ainsi d’une grande importance dans le processus de pulvérisation. Il existe de nombreuses méthodes pour la mesure des caractéristiques des gouttelettes qui peuvent être divisées en trois catégories: mécaniques, électriques et optiques. Ces dernières apparaissent comme les plus pertinentes puisqu’étant non invasives et en perturbant donc pas le processus de pulvérisation. Les améliorations récentes dans le domaine du traitement des images et la réduction du coût des systèmes d’imagerie ont ainsi accru l’intérêt des techniques d’imagerie rapide pour les applications agricoles telles que la pulvérisation de pesticides. Cette thèse s’est donc focalisée sur le développement d’une telle technique pour la caractérisation des sprays (micro et macro). Les travaux effectués ont permis de démontrer que les caractéristiques d’un jet de pesticides peuvent être correctement et précisément mesurées par des techniques d’imagerie non-invasives couplées à des traitements spécifiques. Les travaux à venir consisteraient notamment en l’amélioration de la précision des mesures effectuées: précision sub-pixellique, calcul des profondeurs de champ, mesure de particules non sphériques
In recent years, advances in plant protection have contributed considerably to increasing crop yields in a sustainable way. Easy to apply and rather inexpensive, pesticides have proven to be very efficient. However, when pesticides are applied to crops some of the spray may not reach the target, but move outside the intended spray area. This can cause serious economic and environmental problems. Most of the pesticides are applied using agricultural sprayers. These sprayers use hydraulic nozzles which break the liquid into droplets with a wide range of droplet sizes and velocities and determine the spray pattern. Small droplets are prone to wind drift, while large droplets can runoff from the target surface and deposit on the soil. Therefore, efforts are being undertaken to come to a more sustainable use of pesticides which is more and more regulated by international environmental laws. One of the main challenges is to reduce spray losses and maximize spray deposition and efficacy by improving the spray characteristics and the spray application process. Because mechanisms of droplets leaving a hydraulic spray nozzle are very complex and difficult to quantify or model, there is a need for accurate quantification techniques. The recent improvements in digital image processing, sensitivity of imaging systems and cost reduction have increased the interest in high-speed (HS) imaging techniques for agricultural applications in general and for pesticide applications in specific. This thesis focused on the development and application of high speed imaging techniques to measure micro (droplet size and velocity) and macro (spray angle and shape, liquid sheet length) spray characteristics.The general aim was to show that the spray characteristics from agricultural spray nozzles can be measured correctly with the developed imaging techniques in a non-intrusive way. After a review of the spray application process and techniques for spray characterization (Chapter 2), two image acquisition systems were developed in Chapter 3 based on single droplet experiments using a high speed camera and a piezoelectric droplet generator. 58 combinations of lenses, light sources, diffusers, and exposure times were tested using shadowgraph (background) imaging and evaluated based on image quality parameters (signal to noise rate, entropy ratio and contrast ratio), light stability and overexposure ratio and the accuracy of the droplet size measurement. These resulted into development of two image acquisition systems for measuring the macro and micro spray characteristics. The HS camera with a macro video zoom lens at a working distance of 143 mm with a larger field of view (FOV) of 88 mm x 110 mm in combination with a halogen spotlight and a diffuser was selected for measuring the macro spray characteristics (spray angle, spray shape and liquid sheet length). The optimal set-up for measuring micro spray characteristics (droplet size and velocity) consisted of a high speed camera with a 6 μs exposure time, a microscope lens at a working distance of 430 mm resulting in a FOV of 10.5 mm x 8.4 mm, and a xenon light source used as a backlight without diffuser. In Chapter 4 image analysis and processing algorithms were developed for measuring single droplet characteristics (size and velocity) and different approaches for image segmentation were presented. With the set-up for micro spray characterization and using these dedicated image analysis algorithms (Chapter 4), measurements using a single droplet generator in droplet on demand (DOD) and continuous mode were performed in Chapter 5. The effects of the operating parameters, including voltage pulse width and pulse amplitude with 4 nozzle orifice sizes (261 μm, 123 μm, 87 μm and 67 μm) on droplet diameter and droplet velocity have been characterized (...)

L’étude présentée a pour objectif de mieux comprendre l’influence de l’hydrodynamique sur le transfert de produits phytosanitaires lors d’écoulement dans les fossés agricoles. Quatre paramètres ont plus particulièrement été étudiés : i) la vitesse de l’écoulement de surface ; ii) la submergence, définie comme le rapport moyen entre la hauteur des formes du lit et la hauteur d’eau ; iii) la forme du lit et iv) le degré de saturation en eau du lit avant la contamination par les produits phytosanitaires. L’influence de ces paramètres a été étudiée en conditions semicontrôlées à travers la mise en oeuvre d’expérimentations en canal expérimental, au fond duquel a été fixé pour chaque expérimentation un substrat type constitué d’un assemblage de fibres de chanvre utilisé pour approcher de manière simplifiée un système naturel relativement complexe et hétérogène (en considération des nombreux substrats rencontrés dans le lit des fossés naturels : herbes, feuilles mortes, végétation en décomposition, paille, sédiments, …). Les fibres de chanvre ont été choisies après une étude préliminaire en laboratoire visant à comparer les possibilités d’adsorption et de désorption des produits phytosanitaires sélectionnés sur diverses fibres couramment utilisées dans l’industrie géotextile (jute, lin, chanvre, polyamide, polypropylène et polyester). Les expérimentations en canal expérimental ont été menées de manière à tester l’influence spécifique des paramètres étudiés. La comparaison des différentes expérimentations indique qu’une augmentation de la vitesse de l’écoulement de surface augmente la quantité de produits phytosanitaires transférés de l’écoulement de surface vers le lit, ainsi que la cinétique de ce transfert. Le constat est le même lorsqu’on augmente la submergence, ou bien lorsqu’on passe d’une géométrie de petites formes en « dunes » à une géométrie de grandes formes en « créneau ». Enfin, le fait que le lit soit saturé en eau en début d’expérimentation réduit fortement le transfert de la lame d’eau vers le lit. On observe également que l’influence de chaque paramètre semble être interdépendante. Devant le coût en temps et en argent de ces expérimentations, un modèle a été sélectionné dans la littérature, codé et utilisé pour conforter et compléter l’interprétation des données expérimentales
The aim of this work was to better understand the influence of hydrodynamics on the transfer of pesticides in water flows in agricultural ditches. Special attention was given to four parameters: i) the speed of the surface water flow, ii) the submergence, defined as the mean ratio between the height of the bedforms and the water depth, iii) the shape of the bedforms and iv) the water content of the bed substrate before contamination by pesticides. The influence of these various parameters was investigated with an experimental flume, using a standard of substrate made of hemp fibres. Hemp fibres were chosen as a simplified model of natural substrates such as grass, dead leaves, decaying vegetation, straw and sediments, which are rather complex and heterogeneous. Hemp fibres were selected from preliminary laboratory studies which allowed to compare the adsorption and desorption characteristics of various pesticides for different fibres often used in the geotextile industry (jute, linen, hemp, polyamide, polypropylene and polyester). The flume experiments were designed in order to assess the influence of the four parameters mentioned above. The comparison between the different experiments shows that an increase in surface water speed results in an increase in the amount of pesticides transferred from the water to the bed substrate and the transfer kinetics. A similar result is observed when increasing the submergence, or when going from small sinusoidal bedforms to larger rectangular bedforms. In addition, the data show that the transfer of pesticides from surface water to the bed substrate is strongly decreased when the substrate was saturated with water at the beginning of the experiments. Also, it appears that there is a link between the influence of the differents parameters. When considering the long time duration and the cost of the experiments, it was decided to use a model from the literature which was adapted and used to confirm and extend the interpretation of the experimental data