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Phenome-french plant phenotyping network

MCP1 - Capteurs et méthodes

Responsable: Frédéric Baret, EMMAH

Contexte

Le phénotypage haut-débit repose sur l’utilisation de techniques de proxidétection non destructives qui permettent de suivre la dynamique de la culture au cours de la journée ou de la saison culturale. Les avancées technologiques récentes offrent une large gamme de capteurs et systèmes pour caractériser le sol, la culture et les conditions environnementales. Pour appliquer ces techniques au phénotypage haut-débit, il est toutefois nécessaire de les adapter en fixant les capteurs sur des vecteurs appropriés, construire des systèmes d’acquisition et d’enregistrement automatique des données, de proposer un mode opératoire, de développer les méthodes d’interprétation des mesures en relation avec le MCP3, d’évaluer les performances d’estimation des variables d’intérêt considérées et de développer des plateformes de traitement automatique des gros volumes de données générées. Les données ainsi élaborées seront ensuite intégrées au système d’information PHIS (MCP2).

Objectifs

Le MCP1 a pour objectif de développer des capteurs et des méthodes fournissant des mesures, à haut débit non invasives, de la structure et de la fonction utilisables sur une large gamme d'espèces et de modèles biologiques. Plusieurs échelles doivent être abordées : organes (grains et feuilles), plantes (plates-formes en conditions contrôlées) et canopée (plates-formes au champ).

MCP1 vise plus particulièrement à :

  • Adapter et valider des systèmes qui ont atteint une maturité suffisante pour être transférés rapidement sur le terrain pour une application opérationnelle ;
  • Développer de techniques innovantes et prometteuses qui pourraient être déployées vers les plates-formes du projet pendant la durée du projet après un processus d'évaluation approfondi.

Plusieurs de ces systèmes seront construits par des PME françaises, leur offrant ainsi des opportunités de croissance dans le marché du phénotypage végétal. 

Plan de travail

  • Tâche 1- Architecture des plantes et dynamique

Cette tache est principalement réalisée en conditions contrôlées. Elle consiste à développer l’ensemble des opérations allant de la mesure jusqu’au trait structural ou fonctionnel au niveau de la plante ou de l’organe. L’hétérogénéité des conditions d’environnement dans la serre (lumière, température) sont prises en compte.

MCP1 architecture des plantes

A gauche, description 3D d'une plante de maïs photographiée par plusieurs caméras. Les feuilles individuelles sont identifiées. A droite, distribution de l'efficience d'utilisation de la lumière calculée à partir de la plate-forme en conditions contrôlées pour une gamme de génotypes de maïs et de coton.

 

  • Tâche 2- Imagerie fonctionnelle

Deux vecteurs sont développés pour caractériser la culture à haut débit : un drone qui porte des cameras haute résolution RGB, multispectrales et infra-rouge thermique ; une robot permettant d’échantillonner l’ensemble des microparcelles de manière complétement automatique et portant des cameras haute-résolution, des cameras multispectrales et des LiDAR, l’ensemble de ces instruments fonctionnant de manière active avec des flashs, rendant la mesure indépendante des conditions d’éclairement. Le travail principal consiste à développer les algorithmes d’interprétation des images ainsi que les modes opératoires d’acquisition. Une plateforme de traitement automatique des données est en cours de développement.

MCP1 Imagerie fonctionnelle

A gauche, une plateforme de phénotypage au champ comportant un grand nombre de micro-parcelles. Au milieu, la phenomobileV2 permettant d’acquérir complètement automatiquement les mesures sur chaque micro-parcelle. A droite, un exemple d’images 3D d’une micro-parcelle de blé obtenue à partir du LiDAR porté par la phenomobile.

  • Tâche 3- Techniques d’imagerie innovantes:

L’imagerie multispectrales en champ proche permet de caractériser finement les caractéristiques biochimiques et l’état sanitaire de différents types d’organes. Un algorithme a été développé pour superposer au pixel près les images acquises dans différentes bandes spectrales. Un des sous-produits est l’image 3D du toit de la végétation.

MCP1 cultures NetB

A gauche et au milieu, images d’une culture de betterave prise dans deux canaux différents et rendues superposables. A droite, le modèle 3D de la scène obtenu par photogrammétrie.

  • Tâche 4- Caractérisation de l’environnement  

Caractériser l’environnement est essentiel pour analyser les interactions avec le génotype. Différentes techniques ont été développées pour décrire les conditions environnementales :

  • Cartographie de l’humidité du sol par résistivité électrique
  • Développement de réseaux de capteurs connectés pour la mesure de la température, de l’humidité du sol et de l’éclairement.
  • Développement d’un système de suivi de la pression biotique
MCP1 caracterisation environnement 1

Carte d’acquisition et de transmission des données de température, rayonnement ou humidité ; visualisation en temps réel des données transmises par les cartes

MCP1 caractérisation environnement 2

Biocollecteur pour suivre la pression biotique  et cartographie de l’humidité du sol par résistivité électrique.