Quelles sont les principales technologies et applications de l’agriculture de précision?

Technologies de l’agriculture de précision

Principales constellations de satellites, systèmes de correction et géoréférencement

La base des systèmes d’agriculture de précision sur le terrain est le GNSS (Global Navigation Satellite System), qui consiste en un réseau de satellites géostationnaires en communication les uns avec les autres. Les principaux pays disposent d’un réseau développé par leurs soins, par exemple le GPS des États-Unis (31 satellites), Galileo de l’Union européenne (24 satellites), GLONASS de la Fédération de Russie (24 satellites) et BeiDou de la Chine (35 satellites). La détermination de la position fournie par le GNSS seul est limitée au nombre de satellites disponibles à un moment donné et est sujette à l’accumulation d’une erreur de ±30 cm.

Ils sont assistés par une série de constellations mineures, fonctionnelles pour la correction des signaux, appelées DGPS (Differential Global Positioning System). L’Union européenne dispose du réseau EGNOS de satellites géostationnaires en orbite qui offre un service de correction totalement gratuit qui réduit l’erreur à ±10 cm.

Pour les opérations nécessitant une précision de l’ordre du centimètre (±2 cm), comme la plantation et la transplantation, d’autres systèmes de correction peuvent être utilisés, comme le RTK (Real Time Kinematic). En pratique, le signal est envoyé à la machine en mouvement (rover) par ondes radio ou signal UMTS (réseau cellulaire mobile) à partir d’une série d’émetteurs au sol ou d’une antenne radio installée dans l’exploitation. La précision du RTK permet de mémoriser les lignes de guidage et de les réutiliser pour des opérations ultérieures avec une extrême précision, ce qui se traduit par des économies de temps et de carburant.

Systèmes de guidage GPS

Les solutions de guidage assisté figurent certainement parmi les principales innovations introduites dans l’agriculture. De nombreuses entreprises produisent ces systèmes, mais ils reposent tous sur le même principe : une antenne réceptrice placée sur la machine agricole et connectée au système de direction, accompagnée de capteurs d’angle montés sur les roues et d’un terminal spécial installé dans la cabine.

Les systèmes de guidage par satellite sont divisés en plusieurs catégories :

• Guidage assisté : le système de guidage le plus simple et le plus économique. Il est basé sur un guidage manuel assisté par un écran embarqué qui fournit à l’opérateur une représentation graphique de sa position et de la trajectoire à suivre en observant les indicateurs lumineux de la barre LED de l’écran ;
•  La conduite semi-automatique (ou parallèle) : Ce système, plus avancé technologiquement et plus coûteux que le précédent, peut être commandé par un volant électrique ou directement par une électrovanne insérée dans le système hydraulique et est contrôlé par l’ordinateur de bord guidé par le signal RTK ;
• La conduite autonome : Elle ne nécessite aucune intervention humaine. Le tracteur est guidé par le GPS et par une série de capteurs capables de détecter des obstacles de différentes natures et de gérer les virages en bout de champ et les équipements de manière totalement autonome ;

L’amélioration des performances des systèmes de guidage GPS et la répétabilité dans le temps des opérations le long d’une même ligne de guidage ont conduit au Controlled Traffic Farming (CTF), qui consiste à confiner le passage des machines dans les voies de circulation ou les lignes de tramway (voies ferrées).

Les avantages sont nombreux : réduction du piétinement, maintien de la structure du sol, économies de carburant et de temps ; malheureusement, ces avantages ne sont pas encore justifiés par les exigences liées à l’application de la CTF. En effet, les agriculteurs et les opérateurs doivent avoir une connaissance technique approfondie des systèmes de guidage par satellite, acheter des systèmes de guidage RTK, et l’adaptation des machines et des équipements aux voies de circulation est nécessaire, et il n’est guère possible d’adapter la voie des machines de récolte.

Comme il s’agit d’une pratique relativement récente qui nécessite encore des améliorations techniques et opérationnelles, elle n’est pas encore largement utilisée. Cependant, une variante de la FCT basée sur le concept de véhicules porte-outils à voie large (10 m ou plus) est en train de devenir populaire, un exemple étant le NEXAT (pour une discussion approfondie, voir : https://www.nexat.de/en/).

Norme ISOBUS

Au fil des années, les grands fabricants de matériel agricole ont commencé à développer des équipements de plus en plus technologiques et complexes qui nécessitaient un grand nombre d’unités de contrôle et de boutons-poussoirs pour les faire fonctionner, ce qui entraînait une augmentation de la complexité des opérations et du stress pendant le travail.

En 2008, afin de simplifier les opérations et d’améliorer le bien-être des opérateurs en permettant la gestion des outils à partir d’un seul terminal, un groupe formé par les principaux fabricants d’équipements a fondé l’AEF (Agricultural Industry Electronic Foundation) en suivant les lignes directrices de la norme préexistante SAE-J1939 typique de l’industrie automobile, en introduisant la norme ISO-11783 et en adaptant les normes aux besoins du secteur agricole. L’idée fondatrice du projet ISOBUS est résumée dans le concept de « plug & play », c’est-à-dire la connexion et l’interopérabilité entre les machines par la simple utilisation d’une prise dédiée.

Le schéma de fonctionnement du système ISOBUS est simple et peut être schématisé de la manière suivante : à bord d’un outil, il y a un calculateur, le calculateur de l’outil, qui, par l’intermédiaire du port ISOBUS du tracteur, communique avec l’ordinateur du tracteur (T-ECU), avec le terminal universel (UT) intégré dans l’écran embarqué du tracteur, à partir duquel l’outil peut être contrôlé directement ou à l’aide de dispositifs dédiés.

Les principales caractéristiques du système ISOBUS sont les suivantes :

• UT (Universal Terminal) : gestion des fonctionnalités de mise en œuvre sur n’importe quel terminal ISOBUS.
• AUX-N (Auxiliary Control) : permet de gérer des terminaux supplémentaires tels que des joysticks et des boutons-poussoirs, utiles pour simplifier les opérations de gestion des outils ISOBUS ;
• TECU (Tractor Electronic Computer Unit) : sert de plate-forme pour toutes les autres fonctions ISOBUS en mettant à disposition les données de fonctionnement du tracteur ;
• ISB (bouton de raccourci ISOBUS) : permet de désactiver les fonctions de mise en œuvre activées via le terminal ISOBUS ;
• TIM (Tractor Implement Management) : une solution ISOBUS multi-produits et multi-producteurs qui permet à l’outil de contrôler certaines fonctions du tracteur telles que la direction, la vitesse d’avancement, le régime du moteur et le système hydraulique du tracteur ;
• FS (File Server) : sert de plaque tournante pour le stockage ou l’extraction de données et permet l’échange de données avec ISOBUS et des dispositifs externes (USB ou cloud) ;
• TC-BAS (Task Controller-Basic) : enregistre et échange les valeurs de la tâche effectuée fournies par l’outil ISOBUS ;
• TC-GEO (Task Controller GEO-Based) : gestion ou programmation d’opérations basées sur la position GPS, par exemple dans le cas d’applications à taux variable ;
• TC-SC (Task Controller Section Control) : gestion automatique des sections en fonction de la position GPS et du degré de chevauchement souhaité, utile pour le contrôle des sections des pulvérisateurs et des semoirs ;

De plus amples informations sur l’AEF sont disponibles sur le lien suivant : https://www.aef-online.org/it/home.html

Détection proximale et à distance

L’une des principales caractéristiques de l’agriculture de précision est sans aucun doute la surveillance continue et opportune des conditions environnementales et des conditions de culture, rendue possible par la multitude de capteurs disponibles sur le marché.

En fonction des spécifications des capteurs et de la méthode de détection des paramètres de l’environnement et des cultures, on peut distinguer deux types de surveillance :

• Détection proximale ou surveillance de proximité : les données sont collectées par des capteurs placés à proximité de la culture. Les capteurs les plus courants dans les champs sont les stations météorologiques, les caméras fixes et les caméras vidéo, les capteurs d’humidité et de température du sol, les capteurs d’humidité des feuilles et les pièges à insectes. En outre, différents types de capteurs peuvent être installés à bord des tracteurs : des capteurs infrarouges capables de détecter le degré de vigueur de la culture et d’effectuer la fertilisation la plus appropriée à ses besoins, des capteurs de conductivité électrique pour caractériser les sols et leur teneur en matière organique et en éléments nutritifs, ou des capteurs de compactage du sol pour travailler à des profondeurs variables.

Les avantages de la détection proximale résident dans la rentabilité des capteurs et la collecte continue de données dirigées vers des plateformes dédiées à leur interprétation et à leur utilisation (FMIS). En revanche, dans le cas des capteurs installés sur le terrain, elle ne renvoie qu’une estimation de l’état général des parcelles ;

• La télédétection ou télésurveillance : rendue possible par des drones, des hélicoptères, des avions ou des satellites équipés de caméras spéciales (RVB, multispectrales, etc.) capables de capturer des images dans le spectre visible et non visibles par l’œil humain. La télédétection permet d’opérer dans des zones étendues et difficiles d’accès sur de courtes périodes, avec une résolution et une précision élevées des données. Malheureusement, l’utilisation de moyens tels que les avions et les hélicoptères nécessite un personnel spécialisé et des technologies sophistiquées et coûteuses. Les coûts d’exploitation étant élevés, ils sont utilisés à des fins de recherche ou militaires. En revanche, les satellites fournissent des images de qualité et sont souvent disponibles gratuitement, comme dans le cas du réseau européen de satellites de surveillance de l’environnement Copernicus, qui compte plusieurs satellites en orbite, dont deux dédiés à l’agriculture, le Sentinel-2 (disponible à l’adresse : https://apps.sentinel-hub.com/eo-browser/). Les inconvénients de la détection par satellite sont d’ordre opérationnel, puisqu’elle fournit des images tous les 3 à 5 jours, et d’ordre climatique, en raison d’interférences telles que les nuages et les précipitations.

Les relevés aériens effectués à l’aide de chambres de différents types fournissent des indices utiles pour évaluer l’état des cultures et des sols. Voici quelques-uns des plus courants, classés par catégories :

•  Vigueur

1. Le NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) décrit l’état de la vigueur de la culture ;
2. SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index) est la version du NDVI à laquelle un facteur de correction est appliqué pour exclure les perturbations causées par la réflectance du sol ;
3. iii. L’indice LAI (Lead Area Index) mesure la surface occupée par la végétation par rapport à la surface couverte ;

• Chlorophylle

1. TCARI (Transformed Chlorophyll Absorption Reflectance Index), qui mesure la teneur en chlorophylle des tissus ;
2. OSAVI (Optimized Soil Adjusted Vegetation Index), qui, combiné à TCARI, corrige l’erreur causée par la réflectance du sol ;
3. NDRE (Normalized Difference Red Edge Index) mesure également la teneur en chlorophylle et est utile pour estimer les besoins en azote ou le stress causé par sa carence ;

•  Stress hydrique

Le NDMI (Normalized Difference Moisture Index) indique la teneur en eau des tissus de la culture et met en évidence les stress potentiels ;

1. Drones ou UAV (Unmanned Aeriel Systems)

Pour un suivi précis des cultures, les drones représentent le bon compromis entre les coûts d’achat et d’exploitation, les données collectées et les informations extrapolables. Ils constituent l’une des innovations les plus pertinentes et les plus prometteuses dans le domaine de l’agriculture et ont déjà trouvé des utilisations variées, de la surveillance à la défense des cultures, depuis quelques années.

Tout d’abord, il convient de clarifier la signification des systèmes aériens sans pilote. Le terme UAS est souvent appelé SAPR (Remotely Piloted Aerial System) par les principales agences de contrôle du trafic aérien. Comme le suggère le mot système, il ne s’agit pas exclusivement du drone lui-même, mais de l’ensemble constitué par le drone, la station de contrôle (opérateur) et le lien entre les deux (radiocommande). Réglementairement, l’opérateur doit pouvoir garder un contact visuel avec le drone à tout moment.

Les drones ont des caractéristiques variables en fonction du type d’organe de vol (aile fixe ou hélice), de la présence et du type de caméras et d’instruments qui peuvent être installés. On trouve dans le commerce des drones équipés de microgranulateurs pour la distribution de granulés, de pastilles ou même de pollen pour la pollinisation assistée, de réservoirs combinés à des buses pour la distribution de produits liquides tels que des produits phytopharmaceutiques ou des engrais liquides, ou encore de distributeurs pour le lâcher d’insectes bénéfiques ou antagonistes.

Si vous souhaitez approcher le monde des UAS, nous vous recommandons de suivre gratuitement le certificat de catégorie OPEN A1-A3 valable pour l’Union européenne au lien suivant : https://learningzone.eurocontrol.int/

SIGE et DSS intégré

Le volume de données généré par les capteurs et les machines nécessite des outils informatiques spécifiques : les systèmes d’information sur la gestion agricole (SIGA). Il s’agit de systèmes d’information utilisés pour aider les agriculteurs à enregistrer leurs activités.

Les fonctions typiques des SIGE sont : la capacité de localiser l’exploitation, de définir les parcelles et les limites, de définir le cycle et la rotation des cultures, d’enregistrer les opérations (travail du sol, plantation, nutrition, irrigation, défense et récolte), de surveiller le parc de machines par télémétrie, les paramètres de fonctionnement et la consommation, de programmer l’entretien et de détecter les pannes par le biais d’alertes. Et encore, gérer l’aspect économique et administratif de l’entreprise, collecter des données à partir de capteurs et recevoir des conseils utiles pour guider les choix grâce à des systèmes intégrés d’aide à la décision (DSS).

Les systèmes d’aide à la décision sont des alliés précieux pour planifier et exécuter les opérations culturales de la meilleure façon possible. Ils sont régis par des algorithmes spécifiques capables de traiter de grandes quantités de données et de fournir des conseils spécifiques en fonction des besoins de l’agriculteur : la période de développement de la maladie, les produits et le moment les plus propices à l’intervention, le moment optimal pour planter différentes cultures, le moment et les volumes d’eau nécessaires pour répondre aux besoins en eau des cultures, etc.

En outre, les plateformes FMIS permettent d’importer, de visualiser et de traiter toutes les cartes générées par des machines ou des satellites afin de créer des cartes de prescription spéciales, des cartes géoréférencées dans lesquelles des zones spécifiques d’un champ peuvent être désignées et se voir attribuer des valeurs d’application spécifiques pour une distribution ciblée de semences, d’engrais, de produits phytopharmaceutiques ou d’autres types de produits. Une fois qu’une carte de prescription est créée, elle peut être envoyée via le cloud ou des dispositifs USB directement au tracteur connecté à un équipement capable de distribuer des taux variables.

L’émergence d’une vision axée sur la rapidité, la précision des interventions et l’utilisation d’outils de prévision, non plus seulement liés à des données importées ou générées par des machines, mais à la gestion globale de l’exploitation, combinée à l’aide d’outils d’interprétation des données de plus en plus performants, a marqué le passage de l’agriculture de précision à l’ère de la smart farming et de l’agriculture numérique, basée sur l’utilisation intelligente des données et la création de valeur à partir de ces dernières.

Perspectives d’avenir

Quelles sont les perspectives d’avenir ? Les pistes d’avenir sont nombreuses et en cours d’exploration. Nous ne pouvons qu’essayer de dresser une liste des plus connues et explorées à ce jour, qui promettent de révolutionner la façon dont l’agriculture est à nouveau conçue.

En ce qui concerne l’avenir proche, l’automatisation est au premier plan. Le marché propose des robots autonomes capables de planter ou de repiquer des graines, d’effectuer un désherbage mécanique, chimique ou au laser à l’aide de capteurs optiques et d’algorithmes de reconnaissance des mauvaises herbes, des tracteurs autonomes capables d’effectuer le travail du sol, des drones au sol capables de détecter l’état de santé des cultures ou la présence de ravageurs, et des robots de récolte autonomes.

L’intelligence artificielle est étroitement liée à l’automatisation ; elle est déjà utilisée sur certaines machines pour détecter les parasites ou les maladies et fera, à l’avenir, partie intégrante des systèmes d’information de gestion (DSS) et fournira des conseils techniques aux agriculteurs.

Les consommateurs, de plus en plus attentifs à la provenance et à la qualité des aliments, veulent connaître les processus associés aux produits qu’ils achètent. La blockchain jouera un rôle clé pour garantir l’authenticité de la chaîne d’approvisionnement, en permettant de suivre l’ensemble du cycle de vie du produit, du champ à la table, de manière transparente et, surtout, inaltérable.

De manière générale, les technologies d’agriculture intelligente et de précision permettront de suivre les processus de production et de démontrer leur durabilité grâce à des pratiques spécifiques telles que l’agriculture carbone ou des indices spéciaux permettant d’estimer ou de calculer l’empreinte carbone, l’empreinte eau et les émissions de gaz à effet de serre (GES).